Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом
ХАРКІВСЬКИЙ національний
Автомобільно-дорожній УНІВЕРСИТЕТ
Хар’яков андрій васильович
УДК 669. 715. 621. 43
Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом
Спеціальність 05.02.01 – "Матеріалознавство "
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, кафедра "Ремонт тракторів, автомобілів і сільськогосподарських машин", професор.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Д’яченко Світлана Степанівна, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, кафедра “Технології машинобудування та ремонту машин”, професор;
кандидат фізико-математичних наук, доцент Аулін Віктор Васильович, Кіровоградський національний технічний університет, кафедра “Експлуатація та ремонт машин”, професор.
Захист відбудеться "20" березня 2008 року о "1200" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків-МСП, вул. Петровського, 25
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків-МСП, вул. Петровського, 25
Автореферат розісланий "12" лютого 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради І.В. Кіяшко.
Загальна характеристика РОБОТИ
Актуальність теми. Умови експлуатації машин та устаткування висувають високі вимоги до якості, надійності та довговічності їхніх деталей, як в умовах виробництва так і при технічному обслуговуванні. У процесі зношування деталей рівень їхніх властивостей, як правило, знижується. Це пов'язане з тим, що зміцнена робоча поверхня в процесі експлуатації в умовах тертя піддається відпуску і має місце деякий спад твердості й зниження їх властивостей. Одночасно відбувається знос та накопичення й розвиток пошкоджень.
Для забезпечення необхідних споживчих властивостей деталей і стабільної роботи машин й устаткування необхідно мати високу якість робочого шару. Це можливо отримати шляхом вибору ефективних матеріалів, параметрів і технології обробки, які б не змінювали лінійних розмірів при обробці, не вимагали б наступного правлення, забезпечували стабільність структури й властивостей матеріалу деталі, а також необхідні умови експлуатації спряження.
До числа найбільш ефективних технологічних процесів зміцнення та відновлення деталей у першу чергу відносяться способи з використанням висококонцентрованих джерел енергії - лазерна, плазмова, електронопроменева та електроіскрова обробки, які не призводять до структурних змін та властивостей у підшарі. Крім того, застосування цих методів, завдяки локальному нагріванню поверхневого шару, не знижують втомної міцності відновлюваних деталей і забезпечують одержання необхідного по товщині покриття. У 90% деталей, особливо тих, що працюють у спряженні, величина зношування не перевищує 1,5мм.
Найбільш доступним, з погляду устаткування й вартості обробки, є плазмово-порошковий метод, що дозволяє зміцнювати, а також компенсувати зношений шар до 2,0 мм та не вимагає спеціального екологічного захисту. Цей метод особливо ефективний для деталей, які працюють в умовах знакозмінних навантажень, таких як колінчасті вали автотракторних двигунів і хрестовини карданних валів.
Нанесення покриттів цим методом може бути використане на різних машинобудівельних та ремонтних підприємствах, оскільки устаткування легко монтується на базі будь-якого механізму обертання металорізального верстата.
Тому напрямок робіт, пов'язаний із забезпеченням високої якості робочої поверхні деталей, підвищення їх довговічності є важливим і актуальним.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні матеріали дисертаційної роботи викладені у звітах з госпдоговірних науково-дослідних робіт “Розробка технології зміцнення та відновлення колінчастих валів плазмовим методом” та “Розробка технології забезпечення довговічності деталей машин плазмовим методом”. Напрямок виконаної роботи відповідає госпдоговірній та держбюджетній тематиці ХНТУСГ, що проводилась в період з 1997 по 2006р. Робота виконувалась згідно програм: “Стратегічні напрямки енерго- та ресурсозберігаючих технологій”, “Найважливіші проблеми АПК на період 1997 – 2010 р.р.”.
Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення довговічності відповідальних деталей шляхом розробки ефективного матеріалу і параметрів технології нанесення покриттів з використанням плазмово-порошкового методу.
Основними завданнями досліджень є:
- Розробка ефективної порошкової композиції для нанесення покриттів на шийки колінчастих валів і шипи хрестовин;
- Оцінка впливу хімічного складу покриття на властивості та експлуатаційні показники – зносостійкість та міцність зчеплення його з основою;
- Проведення теоретичної оцінки та експериментальних досліджень з вибору ефективних параметрів обробки, що забезпечують технологічність процесу та необхідні властивості деталей, які обумовлені нормативно технічною документацією;
- Промислові випробування і впровадження результатів розробок. Оцінка їх якості та економічної ефективності.
Об'єкт дослідження. Зміцнюючі зносостійкі покриття, що наносяться на деталі виготовлені із середньовуглецевих і низьколегованих сталей.
Предмет досліджень. Підвищення довговічності відповідальних деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом.
Методика досліджень. Методологія досліджень включала проведення експериментальних оцінок по обґрунтовуванню матеріалу, що рекомендується, забезпечення міцності зчеплення покриття з деталлю, теоретичні оцінки температурного поля, яке формується при обробці.
При проведенні досліджень використані методи визначення механічних властивостей, структури, мікророзподілу компонентів покриття і перехідної зони, а також методи математичного моделювання з розробкою спеціальних комп'ютерних програм. При розробці нового матеріалу та оцінки впливу параметрів його обробки на властивості отриманого покриття використовували метод планування експерименту.
Для оцінки і підвищення міцності зчеплення покриття з основою проводили лабораторні і експлуатаційні випробування.
Практичне значення отриманих результатів. Для підвищення довговічності деталей, що працюють в умовах тертя та знакозмінних навантажень, запропоновані хімічні склади порошкових композицій, які забезпечують технічні вимоги на їх експлуатацію.
Порошкова композиція на основі Fe легована системою елементів Ni - Cr - Si – B – Mn – Мо – Cu, забезпечила підвищення довговічності деталей в 1,5 разів у порівнянні з виготовленими по існуючій технології (термообробленими по режиму: нормалізація з наступним поверхневим гартуванням та високим відпалом) деталями.
Запропоновано параметри і технологічні операції нанесення покриттів плазмово-порошковим методом. Вони забезпечують оптимальні властивості, а також мінімальне значення довжини перехідної зони і термічного впливу.
Розробки впроваджені на Шевченківському РТП, а споживачами відновлених деталей є Сумська, Полтавська, Харківська, Луганська і Чернігівська області України. Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав 279,093 тис. грн. на рік.
Наукова новизна отриманих результатів.
Комплексними експериментальними дослідженнями встановлено вплив компонентів порошкових композицій (основа Fe), що включають систему елементів Ni - Cr - Si – B – Mn – Мо – Cu на структуру, фазовий склад і особливості формування зносостійких покриттів;
Виявлено особливості структуроутворення при зміні параметрів обробки плазмово-порошковим методом. Показано, що зміцнююча фаза Ме>23>С>6> містять від 40,0 до 44,0% Cr, 13,0 – 17,3% Mn та забезпечують стабільну роботу покриття;
- Розроблено математичну модель і програму розрахунку температурного поля при нанесенні покриттів плазмово-порошковим методом. Це дозволило одержати картину впливу тепловкладання на формування структури та розподіл температур по перерізу покриття і перехідної зони та регулювати їх.
Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача становить від 25 до 100 % обсягу опублікованих статей, звітів і тез доповідей. У публікаціях особистий внесок складався в проведенні експериментів з вибору ефективної порошкової композиції, що забезпечує необхідний комплекс фізико-механічних й експлуатаційних властивостей деталей, які зміцнюються.
Виконано математичне моделювання та експериментальні дослідження з визначення оптимальних параметрів обробки плазмово-порошковим методом.
Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень доповідалися на щорічних (1997 - 2006 р.р.) науково-методичних конференціях ХНТУСГ, а також на: конференції “Високоефективні технології в машинобудуванні” (28 - 30 жовтня 1998р., Харків); міжнародних науково-практичних конференціях: "Напрямки розвитку технічного сервісу у ХХІ сторіччі" (ХДТУСГ м. Харків, 2000р.); "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (ХДТУСГ, м. Харків, 2001р.); 8 -й та 13 – й міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні та комп'ютерні технології” (Харків: ХНПК “ФЭД”, 2003, 2007р.); міжнародних конференціях “Устаткування та технології термічної обробки металів і сплавів”. - ОТТОМ - 5 та ОТТОМ - 7, міжнародній науково-практичній конференції “Досвід, проблеми і перспективи розвитку технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (Бєларусь, Мінськ, БГАТУ, 2006), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва” (Полтава, Полтавська державна аграрна академія, 2006).
Публікації. У дисертаційній роботі викладені результати виконаних досліджень, проведених у період з 1997 - 2006 р.р. Основні матеріали дисертаційної роботи викладено у 21 публікації автора по темі дисертації (17 в фахових виданнях, та 4 в інших), а також знайшли відображення в підручнику і методичних посібниках.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 208 найменувань та 4 додатків. Основний зміст викладений на 150 с. і включає 41 табл., 38 рис.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її зв'язок з науковими програмами та темами. Визначено мету та завдання досліджень. Наведено наукову новизну та практичну значність отриманих результатів.
У першому розділі аналізується застосування традиційних, найбільш часто використовуваних методів нанесення покриттів для зміцнення поверхневого шару та відновлення деталей. У більшості випадків ці методи вирішують поставлені перед виробництвом завдання. Однак всі вони мають і характерні недоліки. Нанесення покриттів значної товщини традиційними методами призводить до перегріву деталей (електродугове наплавлення, а також під шаром флюсу та інші).
Перевагою методів відновлення деталей із застосуванням висококонцентрованих джерел енергії є швидкий локальний розігрів поверхні та відведення тепла при обробці. Висока температура в зоні безпосереднього нагріву забезпечує нанесення покриттів навіть із малотехнологічних матеріалів. Завдяки великій швидкості охолодження нанесеного покриття відбувається процес гартування з рідкого стану, що забезпечує високу твердість покриття.
Аналіз способів нанесення покриттів показав, що найкращі технічні показники забезпечує плазмовий метод. Він дозволяє одержати заданий склад вже в першому шарі завдяки малому проплавленню поверхні деталі. Через це у два - три рази (у порівнянні з дуговим наплавленням під шаром флюсу) знижуються витратні матеріали і час на обробку. Завдяки незначному тепловому впливу на основний метал при плазмовій обробці залишкові напруження розтягнення у відновленому шарі значно зменшуються. Це підвищує стійкість проти розтріскування та зменшує схильність до втомного руйнування деталей при експлуатації. Метод не потребує великих припусків на механічну обробку. Висока температура плазмового потоку дозволяє використовувати будь-які матеріали для покриттів. Процес відрізняється високою продуктивністю.
Для покриття найбільш доцільно використовувати порошкову композицію заданого складу. Це дозволяє регулювати його хімічний склад шляхом одночасної подачі в плазмову дугу двох або більше порошкових композицій. Плазмовий метод має досить високий ККД (60...80%), відрізняється простотою контролю технологічного процесу і забезпечує якісне сплавлення основного та присадочного матеріалів. Товщина покриття може досягати 3 - 5 мм.
Вибір порошкових композицій визначається вимогами до експлуатації деталей. Залежно від цих факторів розглянуто порошкові композиції, які ефективні для деталей різного призначення. Показано, що найбільшу твердість та зносостійкість мають покриття, які забезпечують формування карбідів вольфраму, бору, титану та хрому.
Найчастіше використовують леговані матеріали на основі заліза. Вони забезпечують досить високу твердість (від 55 до 60 HRC>э>), а при вмісті хрому 3 - 5% ще й достатню в'язкість. Такі матеріали в 3 - 10 разів дешевші за твердосплавні порошки.
В теперішній час простежується стійка тенденція до використання суміші порошкових композицій. Такий підхід до застосування матеріалів дозволяє досить гнучко змінювати хімічний склад покриттів, прогнозувати та регулювати їх властивості.
Виконано аналіз публікацій по структуроутворенню при плазмовому методі нанесення покриттів. Показано, що в процесі обробки формується зона сплавлення, структура якої визначається хімічним складом матеріалу покриття та деталі, а також параметрами обробки (сила струму, швидкість обробки, обсяг нанесеного матеріалу, попередній або супутній підігрів, схема нанесення валиків).
У другому розділі наведені методи і методики досліджень. Розроблено методологію досліджень, яка включає проведення експериментів по оцінці структури, властивостей покриттів з урахуванням складу використовуваного матеріалу, режимів процесу нанесення покриття, експериментальних досліджень для оцінки протікання дифузійних процесів між покриттям та підшаром, що забезпечують міцність їхнього зчеплення. Запропоновано послідовність проведення експериментів для вирішення поставлених завдань і досягнення мети роботи.
На основі аналізу умов експлуатації розглянутих деталей, вимог щодо них, а також вибору застосованих типів зразків і видів випробувань, використані спеціальні методи оцінки властивостей покриттів. Міцність зчеплення покриття з основою оцінювали за методикою, запропонованою Гуляєвим А.П. і Гудцовим Н.Т., на спеціальних зразках, вирізаних безпосередньо із шийок колінчастого валу у місці перехідної зони. Випробування проводили на приладі для визначення мікротвердості ПМТ - 3 при навантаженнях 50, 100, 150 та 200 г, а потім за емпіричними залежностями оцінювали >в>.
Дослідження структури та властивостей покриття виконували безпосередньо на матеріалі колінчастих валів (сталь 45) і хрестовин карданних валів (сталь 30ХГТ). Нанесення покриття методом плазмово-порошкового наплавлення здійснювали різним співвідношенням порошкових композицій (табл. 1). При виборі матеріалів покриття керувалися мінімальною вартістю порошків і враховували вміст вуглецю в деталях. Порошкову композицію підбирали так, щоб забезпечити концентрацію вуглецю в покритті близьку до його концентрації в деталях.
Для оцінки мікроструктури, фазового складу, визначення особливостей формування покриття та зони термічного впливу використовували сучасні комплексні методи досліджень: металографічний, хімічний, електронно-мікроскопічний, мікрорентгеноспектральний, рентгеноструктурний аналіз, визначення рівня твердості, мікротвердості та інші. Крім цього, визначали зносостійкість покриття.
Ці комплексні методи досліджень використані.
Таблиця 1
Хімічний склад порошкових матеріалів
|
Матеріал |
Зміст хімічних елементів, % мас. |
||||||||
|
Fe |
Cr |
Ni |
B |
C |
Si |
Mn |
Mo |
Cu |
|
|
ПЖН4Д2М |
Осн. |
3,62 |
0,054 |
0,05 |
0,1 |
0,5 |
1,68 |
||
|
ФМИ – 2 |
Осн. |
10,43 |
2,87 |
0,77 |
2,62 |
4,49 |
Розроблено методику оцінки температурних полів, які формуються під час нанесення покриття плазмово-порошковим методом, залежно від параметрів процесу. Використано статистичні методи обробки даних і планування експерименту.
У третьому розділі аналізується вплив хімічного складу порошкових композицій і параметрів обробки на розподіл елементів, фазовий склад і властивості покриттів.
Порівняльними дослідженнями нанесення покриттів з використанням різної частки порошкових композицій (табл. 2) показано, що для забезпечення вимог технічних умов найбільш ефективною є композиція, яка складається з 40% ФМИ – 2 + 60 % ПЖН4Д2М. Вона забезпечує досягнення необхідної твердості рівної 52 - 55 HRC, при зміцненні та відновленні колінчастих валів. Зміна вмісту хімічних елементів у покриттях з різною часткою порошкових складових наведена на рис. 1.
Забезпечення вимог по твердості робочого шару хрестовин на рівні 57 - 65HRC досягається використанням порошкової композиції, що складається з 50% ФМИ - 2 + 50% ПЖН4Д2М.
Таблиця 2
Вміст хімічних елементів у різних поєднаннях порошкових композицій
|
№ композиції |
Співвідношення |
Хімічні елементи, % |
||||||||
|
Fe |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
B |
Mo |
Cu |
||
|
1 |
80% ФМИ-2 + 20% ПЖН4Д2М |
81,86 |
0,63 |
2,11 |
3,61 |
8,34 |
0,72 |
2,29 |
0,1 |
0,34 |
|
2 |
50% ФМИ-2 + 50% ПЖН4Д2М |
86,41 |
0,41 |
1,34 |
2,29 |
5,22 |
1,81 |
1,44 |
0,25 |
0,84 |
|
3 |
40% ФМИ-2 + 60% ПЖН4Д2М |
87,89 |
0,37 |
1,08 |
1,86 |
4,172 |
2,17 |
1,15 |
0,3 |
1,01 |
|
4 |
20% ФМИ-2 + 80% ПЖН4Д2М |
90,96 |
0,2 |
0,56 |
0,97 |
2,09 |
2,89 |
0,57 |
0,4 |
1,34 |
Рис. 1. Експериментальні оцінки середніх концентрацій хімічних елементів у покриттях, нанесених на шийки колінчастих валів при використанні різних порошкових композицій
Виконано аналіз впливу температурних параметрів обробки. Показано, що при нанесенні покриттів на шипи хрестовин струмом в інтервалі значень 120 – 150 А падіння концентрації всіх елементів було істотним: для Ni складало 29,47%, а Cr - 26,53%. При нанесенні покриттів з використанням струму в діапазоні 150 - 180 А величина вигару легуючих елементів, у порівнянні з першим інтервалом, змінюється незначно, і вони розподіляються по перерізу покриття більш рівномірно. Так, концентрація Ni і Cr знижувалася лише на 0,58% й 5,55% відповідно.
Покриття з оптимальним співвідношенням порошкових композицій для колінчастих валів і хрестовин карданних валів забезпечують однорідну структуру з дисперсними дендритами, без наявності пор, тріщин і часток нерозплавленого порошку (рис. 2). Основною структурою нанесеного покриття є аустеніт і мартенсит (50 та 35% відповідно) з невеликою часткою фериту та карбідів.
Електрономікроскопічними дослідженнями із застосуванням мікродифракційного аналізу, а також мікрорентгеноспектральним аналізом виявлено тип сформованих фаз і вміст легуючих елементів у карбідах покриття. Фазою, що зміцнює шар є дисперсні спеціальні карбіди Ме>23>C>6> і карбіди цементитного типу Ме>3>C. Частка зміцнюючої фази в оптимальних складах покриттів досягає 6 - 8%.
Рис. 2 Мікроструктура покриття із запропонованого складу порошкової композиції нанесеного на шийку колінчастого валу (сталь 45)(×100):
1 - приповерхневий шар (Н>µ>-50 - 517); 2 - зона більш грубих дендритів(Н>µ>-50 - 539); 3 - границя між приповерхневою зоною і основним шаром (Н>µ>-50 - 411); 4 - межа нанесеного покриття і основи (Н>µ>-50 - 428); 5 - зерно перліту (Н>µ>-50 - 363); 6 - прошарок фериту по межах зерен (Н>µ>-50 - 137). 7 - ферито-перлітна суміш між перехідною зоною і основним металом (Н>µ>-50 -228), 8 - основний метал (зона відпустку Н>µ>-50 - 292)
Показано, що в спеціальних карбідах Ме>23>C>6> вміст Cr досягає 43,9 %, а Mn – 17,3% (рис. 3, табл. 3), а в карбідах цементитного типу Me>3>C – частка Cr не перевищує 13%, а Mn – 3,4%. Це забезпечує необхідну зносостійкість покриття.
Рис. 3 Інтенсивності ліній хімічних елементів у карбіді Ме>23>C>6>
Таблиця 3
Розподіл хімічних елементів у спеціальних карбідах по перерізу покриття при пошаровому аналізі
|
Крок сканування, мм |
Вміст компонентів, % |
|||
|
Ni |
Cr |
Mn |
Fe |
|
|
0,0 |
0,00 |
40,43 |
13,23 |
43,09 |
|
0,3 |
0,95 |
40,03 |
15,25 |
40,48 |
|
0,6 |
0,05 |
41,81 |
17,12 |
37,49 |
|
0,9 |
0,00 |
40,53 |
16,13 |
39,92 |
|
0,12 |
0,00 |
42,42 |
16,69 |
37,92 |
|
0,15 |
0,00 |
43,96 |
17,30 |
35,05 |
Дослідження показали, що у спеціальних карбідах типу Ме>23>C>6> вміст хрому, марганцю та заліза значно не змінюються по перерізу покриття. В деяких випадках вони містять незначну долю нікелю. Можна очікувати, що характер зношування в процесі експлуатації не буде змінюватися.
Четвертий розділ присвячений теоретичним дослідженням з оцінки теплових полів та аналізу їхнього впливу на структуроутворення.
Розроблено математичну модель і програму розрахунку температурного поля при нанесенні відновлювальних покриттів плазмовим струменем. Особливістю розробленої моделі є врахування істотних конвективних теплових потоків у рідкій фазі. Побудова такої моделі дозволяє прогнозувати структуру покриття і зони термічного впливу та гнучко змінювати параметри режиму обробки (силу струму та швидкість нанесення покриття) для одержання необхідних властивостей (твердість, мікротвердість структурних складових, довжина перехідної зони).
Виконані розрахунки показали, що регулювання товщини відновленого шару ефективніше здійснювати зміною швидкості руху плазмової дуги, ніж потужністю джерела нагрівання. Показана можливість регулювання перехідної зони величиною потужності в межах 0,1 - 3 мм.
Проведений порівняльний аналіз даних, отриманих розрахунковим та експериментальним шляхом (оцінкою структури та властивостей), показав, що запропонована математична модель адекватно відображає теплові процеси, які мають місце при нанесенні покриттів.
На рис. 4 наведена зміна структури по глибині покриття та перехідної зони залежно від температурного поля.
Методом математичного моделювання виконана оцінка температурного поля при плазмово-порошковому нанесенні покриттів, що дозволяє отримати картину впливу тепловкладення в розподіл температур, по перерізу покриття і перехідної зони, на підставі яких рекомендовані параметри обробки. Оцінено зміну структурних зон з урахуванням температурного поля, яке формується.
Для нанесення покриттів плазмовим методом на шийки колінчастих валів оптимальними параметрами є: крок нанесення валиків, рівний 2 – 2,5 мм при швидкості обертання деталі 3 – 7 об/хв. Такі параметри забезпечують товщину покриття до 2,0 мм і довжину перехідної зони до 0,5 – 0,8 мм. Зі зменшенням цих параметрів довжина перехідної зони зростає до 1,5 мм. Показано, що температура на глибині від 0,5 – 0,8 мм падає до значення 1000 С.
Рис. 4. Зміна структури по глибині покриття і перехідної зони залежно від температурного поля: 1 - покриття, 2 - зона сплавлення, 3 деталь, 4 - зона перегріву (характеризується ростом окремих зерен).
П'ятий розділ присвячений дослідженню властивостей деталей, відновлених плазмово-порошковим методом.
Незалежно від параметрів нанесення покриття на всіх зразках біля границі сплавлення виявлена дендритна структура, сформована в результаті інтенсивного тепловідводу в тіло деталі. Показано, що ширина цієї зони залежить від сили струму. Металографічний аналіз виявив, що чим вище значення величини струму, на якому здійснювали нанесення покриття, а, отже, чим вище температура нагрівання деталі, тим менш протяжна зона дендритної структури. Це пояснюється тим, що при більшому значенні величини сили струму (230 А) відбувається більший прогрів тіла деталі. При цьому різниця температур покриття і прогрітого основного металу мінімальні і це не призводить до зменшення швидкості охолодження.
Стендовими випробуваннями на знос виявлено, що на момент закінчення припрацювання поверхонь величина зношування сталевого вала на 41% більше, ніж вала з покриттям, нанесеним згідно технології, яка рекомендується. У період сталого зношування інтенсивність зменшення лінійних розмірів шийки сталевого вала значно зросла. Різниця величини зношування досягає 68 %. Залежність величини зношування зразків від часу випробувань наведена на рис. 5.
Величина зони термічного впливу на шипах хрестовин збільшується зі зростанням сили струму від 120 до180 А. Найменше її значення відповідає I = 120A і дорівнює 1,5 мм. Однак, при наплавленні по даному режиму не відбувається якісного сплавлення покриття з основою. В цьому випадку у покритті формується найбільш протяжна, груба дендритна зона, яка дорівнює 0,9 мм, що збільшує схильність до крихкості робочого шару. Довжина ЗТВ при зміні струму від 120 до 180 А збільшилася у два рази.
Рис. 5. Залежності величини зношування від часу випробування зразків:
1 - зразок вкладиша (свинцева бронза);
2 - зразок стандартної деталі (сталь 45, загартування СВЧ);
3 - зразок, відновлений з нанесенням покриття, що рекомендується, і за пропонованою технологією
При відновленні з використанням струму I = 180 А в покритті може формуватися відманштетова структура, як результат значного перегріву.
Методом планування експерименту оцінено вплив параметрів нанесення покриттів плазмово-порошковим методом. Отримані рівняння регресії, що описують вплив швидкості обертання деталі, величини сили струму та проведення операції попередньої термообробки для зняття напруг і стабілізації структури зношеного шару на величину зони термічного впливу (рівняння 1), рівень мікротвердості і її однорідність по перерізу покриття (рівняння 2) і ступінь неоднорідності структури, яка оцінена по зміні мікротвердості, % (рівняння 3).
Рівняння регресії мають вигляд:
Y>1>=2,75–1,55X>1> - 0,2X>3> - 0,7X>1>X>2>–0,3X>2>X>3>+0,7X>1>X>2>X>3>. (1)
Y>2> = 487,25 – 58,5X>1> – 105,5X>2> +41,5X>3> + 96,5X>1>X>2>X>3> (2)
Y>3> = 8,86 + 2,32X>1> – 1,03X>2> – 2,78X>3> + 4,68X>1>X>2> – 11,6X>1>X>3> – 8,5X>2>X>3> (3)
де: Y>1> – величина зони термічного впливу, Y>2> – величина мікротвердості, Y>3> - рівень неоднорідності мікротвердості.
При цьому швидкість обертання (Х>1>) деталі змінювали в межах V = 2,8 – 3,8 об/хв; силу струму (Х>2>) I = 200 – 260 А, попередній відпал плазмовим струменем (Х>3>) при t=850С та без нього.
Показано, що довжина зони термічного впливу, головним чином, визначається силою струму, швидкістю обертання деталі та їх парною взаємодією. Чим вище швидкість обробки, тим менше величина зони термічного впливу.
Мікротвердість істотно залежить від зміни сили струму обробки. При зниженні від 260 до 200 А вона падає на 11,3%, за рахунок зменшення температури в зоні сплавлення. При цьому структура покриття після іспитів на зношування (в поверхневому шарі), нанесеного порошковою композицією, що рекомендується, має структуру: до 15% залишкового аустеніту (зменшилось в три рази), тростит з окремими включеннями легованого фериту та карбідів.
Найбільш значний вплив на неоднорідність структури та мікротвердості мають парні взаємодії сили струму, швидкості обертання деталі з проведенням попереднього відпалу.
Перед нанесенням покриттів на шипи хрестовин проводили попередній відпал при 850С. При цьому відмічається підвищення концентрації хімічних елементів у перехідній зоні (у середньому на 60% Si, 3,8% Mn, 14,7% Cr, 17,5% Ni, 50% Mo), що підвищує міцність зчеплення покриття з деталлю. Це пояснюється інтенсифікацією дифузійних процесів в наслідок підвищення температури.
Запропоновано параметри обробки для промислового впровадження такої технології: попередній відпал поверхонь шипів хрестовин плазмовою дугою (струм I = 80А, напруга U = 40 В) для зневуглецювання попередньо цементованого й частково зношеного шару; нанесення покриття при зварювальному струмі I = 150 А та напрузі дуги U = 40 В.
У шостому розділі надається оцінка запасу міцності й зносостійкості колінчастих валів. Розглядається промислове випробування та впровадження розробок.
Статистичний аналіз експлуатаційної стійкості двигунів у різні часові періоди показав, що більш пізній період (2002 - 2003р.р.) у порівнянні з попереднім (2001 р.) характеризується переважно виходом з ладу деталей за інтенсивним зношуванням. Так, якщо до напрацювання 4000 мото - ч у більше ранньому періоді виходило з ладу 23% всіх двигунів, що спостерігалися в експлуатації, то в другому (при тому ж самому напрацюванні) цей показник досягав 70%, при гарантії напрацювання (яку дає завод-виробник) до капітального ремонту 6000 мото - ч.
Для підвищення довговічності колінчастих валів, як основної деталі двигуна, здійснювали відновлення з використанням запропонованого складу покриття і технології його нанесення. Порівняльні дослідження таких валів і виготовлених за діючою технологією показали, що перші мають в 1,5 рази вищу зносостійкість.
Методом рентгеноструктурного аналізу показано, що це досягається формуванням у покритті структур мартенситу та залишкового аустеніту, карбідів, оксидів, нітридів. Після експлуатації доля залишкового аустеніту зменшується з 50% до 15%.
При відновленні колінчастих валів нанесенням покриттів плазмово-порошковим методом можливе зниження їхньої втомної міцності через зменшення ефективного перерізу шийок (шліфування й наявність зони термічного впливу).
Виконано розрахунок величини запасу міцності відновленого колінчатого вала V - образного шестициліндрового двигуна СМД - 60.
Розрахунками показано, що на зменшення втомної міцності спряження щока - шийка впливає зниження запасу міцності шатунної шийки. Встановлено припустиму максимальну величину її шліфування перед нанесенням покриття (до 0,15 мм) і зони термічного впливу (не більше 2мм). При досягненні таких значень рекомендується відновлення валу з нанесенням покриття після 2-го ремонтного розміру. Тільки в цьому випадку забезпечується запас міцності шатунної шийки значно вище мінімально припустимого.
Стендові випробування колінчастих валів з нанесеним покриттям, запропонованим плазмово-порошковим методом показали, що максимальне зношування для шатунних шийок (1 - 4) становить 0,002 мм, а для корінних (4) - 0,003 мм. Мінімальне зношування шатунних шийок (2 - 5 й 3 - 6) і корінних (3) не перевищує 0,001 мм.
Випробування колінчастих валів на сільськогосподарських підприємствах Харківської області показали, що зміцнений шар при дотриманні умов, обговорених вимогами на експлуатацію й обслуговування техніки, при використанні якісних мастильних матеріалів, забезпечує стабільність властивостей і структури металу покриття.
Для визначення ймовірності безвідмовної роботи колінчастих валів двигунів СМД – 60 виконано аналіз експлуатаційної стійкості 50 деталей, виготовлених згідно діючої технології, в експлуатації. Оцінено величину зношування корінних і шатунних шийок. Зафіксовано напрацювання до капітального ремонту. Оцінено дисперсію й середньоквадратичне відхилення значень, а також швидкість зношування корінних і шатунних шийок (відповідає інтервалам 11,8610–3 –16,5910–3 й 9,3610–3–12,0210–3 мкм/мото-год).
Отримано залежність ймовірності безвідмовної роботи колінчастих валів, а також теоретичного й емпіричного значення функцій розподілу напрацювання (розбіжності не перевищують 13%).
Оцінено гамма-процентний ресурс колінчастих валів двигунів СМД – 60, що виходять із ладу через зношування корінних і шатунних шийок. Він склав для нових валів >80% теор> = 4100 мото-год й >80% эмп> = 4000 мото-год, що нижче норм заявлених заводом-виробником.
Для колінчастих валів зміцнених нанесенням покриттів з розробленого матеріалу з використанням плазмово-порошкового методу гамма-процентний ресурс є в 1,5 рази вищим за нові деталі.
Розроблена технологія нанесення покриттів плазмово-порошковим методом успішно може бути використана не тільки при ремонті сільськогосподарської техніки, але й у різних галузях народного господарства. Показано ефективність цього методу і при відновленні деталей турбін парових та атомних електростанцій. Вибір матеріалу покриття визначається вимогами експлуатації, а параметри попередньої обробки структурою й властивостями деталі.
Використання порошкових композицій на базі заліза легованого системою Ni - Cr - Si – B – Mn –Mo – Cu, забезпечує необхідну довговічність деталей і визначається не тільки покриттям, але й властивостями перехідної зони і термічного впливу, які можливо регулювати набором технологічних операцій і параметрами процесу.
Економічний ефект від впровадження технології відновлення колінчастих валів нанесенням розробленого покриття плазмово-порошковим методом в об’ємі 1000 шт склав 279093 грн.
Розробки впроваджені на Шевченківському РТП, а споживачами відновлених колінчастих валів є Сумська, Полтавська, Харківська та Чернігівська області України.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ
1. На основі аналізу апріорної інформації для підвищення довговічності деталей нанесенням покриттів був обраний плазмово-порошковий метод. Даний метод вигідно відрізняється від інших тим, що може забезпечити зміцнення, а також компенсацію зношеного шару більше 2 мм. Така обробка зберігає прямолінійність, виключає короблення деталей, забезпечує достатнє зчеплення покриття з основою, мінімальну пористість.
Ефективність методу визначається й вибором матеріалу, його хімічного складу, досягнутими властивостями з урахуванням вимог, які регламентуються технічними умовами.
2. На базі розробленої методології й комплексних методів досліджень, планування експерименту та статистичних методів аналізу виявлено вплив складу порошкових композицій на основі заліза на структуру, властивості та зносостійкість покриттів, нанесених плазмово-порошковим методом. Визначено, що при відновленні шийок колінчастих валів найбільша ефективність досягається при використанні композиції, що містить Cr – 3,5 – 4,5%, Ni – 1,8 – 2,2%, B – 0,9 – 1,5%, C - 0,3 – 0,42%, Si – 0,8 – 1,3%, Mn - 1,5 – 2,3%, Mo - 0,1 – 0,5%, Cu – 0,85 – 1,3%, а для шипів хрестовин карданних валів Cr - 5,0 – 5,5%, Ni - 1,5 – 2,0%, B - 1,0 – 1,8%, C - 0,3 – 05%, Si - 1,2 – 1,6%, Mn - 2,0 – 2,5%, Mo - 0,15 – 0,35%, Cu – 0,5 – 1,1%.
3. Покриття запропонованого складу, які нанесені плазмово-порошковим методом мають наступні зони: наплавлення, перехідну та термічного впливу. Перша з них визначає зносостійкість деталі, друга - міцність покриття і третя впливає на втомлену міцність деталі при експлуатації. Дослідженнями показано вплив довжини перехідної зони на міцність зчеплення покриття з основою та стабільну роботу деталі в експлуатації.
4. Показано, що найбільш висока зносостійкість деталей забезпечується при формуванні в структурі спеціальних карбідів Ме>23>С>6>, нітридів (Fe>2>N) а також легованого цементиту. Частка фази, яка зміцнює властивості шару становить 6 – 8%. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що Ме>23>C>6> містить до 43,9% Cr, а Ме>3>C – до 13% Cr.
5. Якість покриття, яке наносили на шийки колінчастих валів, оцінювали по однорідності розподілу компонентів по перерізу покриття й перехідної зони. Так, межі зміни концентрації елементів у покритті не перевищують для Cr - 3,66%, Ni - 1,798%, Mn - 1,208%, Si - 0,714%, Mo - 0,106%, перехідному шарі (на глибині 90 мкм від зони сплавлення) Cr - 4,0%, Ni - 1,97%, Mn - 1,32%, Si - 0,88%, Mo - 0,11%.
Міцність зчеплення покриття з основою становить не нижче 950 МПа, що відповідає вимогам ТУ.
6. Методом планування експерименту показано, що параметри обробки істотно впливають на структуроутворення. Показано, що найбільший вплив на рівень мікротвердості при використанні запропонованого состава покриття має сила струму. Так, при зміні її величини від 260 до 200 А твердість знижується на 11,33%. При зміні швидкості обробки деталі в прийнятному інтервалі V= 2,8 - 3,8 об/хв особливий вплив на структуроутворення не виявлено.
У випадку обробки з попереднім підігрівом у перехідній зоні в порівнянні з основним металом відзначалося підвищення концентрації всіх хімічних елементів за рахунок інтенсифікації дифузійних процесів. Дослідження показали, що попередній підігрів деталі вирівнює концентрацію компонентів у зоні покриття - перехідний шар, що позитивно позначається на забезпеченні заданої міцності зчеплення.
Отримано залежність впливу температурного режиму обробки на зміну структури покриття та перехідної зони. Показано, що при обробці параметрами I = 260 А и V = 3,8 об/хв призводить до перегріву та формуванню відманштетової структури у перехідній зоні.
7. При обробці шипів хрестовин струмом в інтервалі значень 120 - 150 А падіння концентрації всіх елементів було істотним: для Ni складало 29,47%, а Cr - 26,53%. Це призводить до неоднорідності структури та властивостей покриття й сприяє нерівномірному зношуванню відновленої поверхні деталі.
При нанесенні покриттів з використанням струму в діапазоні 150 - 180 А концентрація хімічних елементів знижувалася, у порівнянні з першим інтервалом, незначно й не перевищувала 0,58% й 5,55% для Ni та Cr відповідно.
8. Для вибору параметрів обробки розроблено метод і виконано розрахунок температурних полів. Використано новий підхід, що враховує істотні конвективні теплові потоки в рідкій фазі. Побудова такої моделі дозволяє прогнозувати структуру та властивості відновленого шару і деталі, та гнучко змінювати режими обробки для одержання необхідних її властивостей.
Оптимальними параметрами обробки для нанесення покриттів на шийки колінчастого валу СМД – 60 (Сталь 45, 86мм) є: струм I = 230 A, швидкість обертання деталі V=2,8 об/хв. Ефективним є попередній відпал плазмовим струменем.
9. Запропоновано порошкові композиції для відновлення шийок колінчастих валів і шипів хрестовин карданних валів.
При нанесенні покриттів ураховували спосіб їхнього виготовлення. Оскільки при виробництві хрестовини піддаються цементації, то їх перед відновленням відпалювали при температурі t = 850С для зняття напруг і зниження вуглецю в збереженому цементованому шарі.
На основі теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано оптимальні параметри обробки при нанесенні покриттів плазмово-порошковим методом, які забезпечують оптимальні властивості та дозволяють регулювати довжину перехідної зони і термічного впливу.
При експлуатації має місце додаткове зміцнення за рахунок розпаду аустеніту (з 50% до 15%).
Розробки впроваджені на Шевченківському РТП, а споживачами відновлених колінчастих валів є Сумська, Полтавська, Луганська, Харківська та Чернігівська області. Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав 279,093 тис. грн.
Список опублікованих робіт
Автухов А.К., Харьяков А.В. Оценка эксплуатационной стойкости коленчатых валов и восстановление их микроплазменной наплавкой. Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. научн. тр. ХГТУСХ, Харьков, 1997. – с. 84 – 88. (Здобувачем проведено дослідження експлуатаційної стійкості колінчастих валів та запропоновано використання плазмового наплавлення для їх відновлення).
Новиков А.В., Сыромятников П.С., Харьяков А.В., Скобло Т.С., Сидашенко А.И. Эксплуатационная стойкость коленчатых валов тракторных дизелей// Механизация и электрификация сельского хозяйства. М.: - № 10. – 1998. с. 29 – 32. (Автором проведено дослідження експлуатаційної стійкості колінчастих валів, побудовані графічні залежності, зроблено висновки).
Власовец В.М., Новиков А.В., Харьяков А.В. Оценка запаса прочности коленчатых валов при их восстановлении методом плазменной наплавки. Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. научн. тр. ХГТУСХ, Харьков, 1999. – с. 31 – 35. (Автором проведено розрахунок колінчастих валів на втомлену міцність).
Харьяков А.В. Расчет эффективных параметров наплавки коленчатых валов плазменно-порошковым методом // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. научн. тр. ХГТУСХ., Харьков, 1999. – с. 53 – 57.
Харьяков А.В., Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Власовец В.М. Анализ микроструктуры слоя восстановленного методом плазменно-порошковой наплавки после эксплуатационных испытаний. Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. Сб. научн. тр. ХГТУСХ., Харьков, 1999. – с. 59 – 62. (Автором проведено дослідження мікроструктури шару відновленого плазмово-порошковим методом, зроблені висновки).
Харьяков А.В. Особенности формирования восстановленного слоя при плазменно-порошковой наплавке коленчатых валов двигателей СМД – 60. Новые решения в современных технологиях. Вестник ХГПУ. Выпуск №81. – Харьков 2000. – с. 51 – 52.
Харьяков А.В. Восстановление коленчатых валов двигателей СМД – 60 плазменно-порошковым методом. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. № 4. Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. – Харків. – 2000. – С.70 – 75.
Харьяков А.В. Исследование влияния режимов плазменно-порошковой наплавки на качество восстановления крестовин карданных валов. Вісник Національного Технічного університету “ХПІ”. Нові рішення у сучасних технологіях. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2001. - № 15. С.66 – 72.
Харьяков А.В. Моделирование и расчет температурного поля при плазменно-порошковой наплавке. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. № 15. Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. – Харків. – 2003. – С. 354 – 363.
Харьяков А.В, Науменко А.А., Золотухин Р.А. Исследование износостойкости покрытий полученных плазменно-порошковым методом // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. Вип. № 24. Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків. – 2004. – С. 231 237. (Автором проведено лабораторні дослідження на зносостійкість зразків шийок нових колінчастих валів та відновлених по запропонованій технології, зроблено порівняльний аналіз, побудовано графічні залежності).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В, Сыромятников П.С. Моделирование температурного поля при плазменно-порошковой наплавке// Сб. докладов 5-й Международной конференции “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”. – Харьков. – 2004. – С. 291 – 296. (Автором розроблена математична модель нанесення покриття запропонованим методом, розроблено комп’ютерну програму, проведено розрахунок температурних полів, побудовані графічні залежності, зроблено висновки).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Науменко А.А. Влияние химического состава порошковых композиций и параметров плазменной обработки на свойства покрытий при восстановлении деталей// Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин, Вип. 35, Кіровоград, - 2005. – с. 383 – 388. (Автором проведено експеримент по виявленню впливу состава порошкової композиції на структуру, фазовий склад та якість відновлення деталей запропонованим методом).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Науменко А.А. Восстановление деталей плазменно-порошковым методом и его экономическая эффективность // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства, Вип. № 39. Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків. – 2005. – С. 254 – 259. (Автором запропоновано наведену технологію для відновлення деталей та отримано економічний ефект від впровадження у виробництво).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Триполко В.К., Харьяков А.В., Науменко А.А. Восстановление деталей из различных материалов плазменно-порошковым методом // Сб. докладов 7-й Международной конференции “Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”. – Харьков. – 2006. – С. 168 – 172. (Автором проведено дослідження використання запропонованого метода для відновлення деталей енергетичної арматури).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Науменко А.А. Восстановление эксплуатационных свойств деталей машин нанесением износостойких покрытий плазменно-порошковым методом. Вісник Полтавської державної аграрної академії. – Полтава. № 4, 2006. – С. 90 – 92. (Автором розроблена технологія відновлення деталей плазмово-порошковим методом, проведені дослідження якості відновлених деталей, та отримано економічний ефект від впровадженої технології)
Харьяков А.В. Исследование свойств материала покрытий нанесенных плазменно-порошковым способом // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства, Вип. № 42 Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків. – 2006. – С. 113 – 119.
Харьяков А.В. Особенности структурообразования покрытий нанесенных плазменно-порошковым методом // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства, Вип. № 47 Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. – Харків. – 2006. – С. 230 – 238.
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Власовец В.М. Обеспечение необходимых показателей качества и надежности коленчатых валов, восстановленных плазменным методом. Высокоэффективные технологии в машиностроении. Материалы конференции, 28 – 30 октября, Киев. - 1998 - С.81. (Автором наведені переваги використання запропонованого методу та проведено дослідження структури відновленого шару та зони термічного впливу).
Науменко А.А., Харьяков А.В. Исследование влияния режимов плазменно-порошковой наплавки на качество восстановления деталей сельскохозяйственной техники. Вісник СНУ ім. Даля. – 2003. № 11. С. 215 – 222. (Автором сплановано та проведено експеримент по виявленню впливу параметрів режиму наведеного методу на якість відновлення деталей).
Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Харьяков А.В., Мартыненко А.Д. Износостойкость коленчатых валов тракторных двигателей. Труды 8 – й международной научно-технической конференции “Физические и компьютерные технологии”. Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2003. – С. 163 – 166. (Автором сплановано та проведено експеримент по визначенню зносостійкості колінчастих валів, відновлених по запропонованій технології).
Скобло Т.С., Харьяков А.В., Науменко А.А, Мартиненко А.Д. Методика моделирования температурного поля при плазменно-порошковой наплавке с учетом приращения температуры // Сб. Докладов международной научно-практической конференции “Опыт, проблемы и перспективы развития технического сервиса сельскохозяйственной техники”. – Минск: БГАТУ, 2006. – С. 116 – 123. (Автором допрацьована математична модель запропонованого процесу відновлення, проведено розрахунки, побудовані графічні залежності, зроблено висновки).
Анотація
Хар’яков А.В. Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.01 "Матеріалознавство". Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2007.
Дисертація спрямована на підвищення довговічності деталей машин (колінчастих валів дизельних двигунів та хрестовин карданних валів) нанесенням покриттів плазмово-порошковим методом, за рахунок розробки ефективного матеріалу та параметрів обробки.
Показано, що найбільш висока зносостійкість деталей забезпечується при формуванні в структурі спеціальних карбідів Ме>23>С>6>, а також легованого цементиту. Фаза, що зміцнює шар становить 6 – 8%. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що карбіди Ме>23>C>6> містить до 43,9% Cr, Ме>3>C – до 13% Cr.
Отримано залежність впливу температурного режиму обробки на зміну структури покриття та перехідної зони.
Методом математичного моделювання виконана оцінка температурного поля при нанесенні покриттів плазмово-порошковим методом, ще дозволило одержати картину впливу тепловкладення в розподіл температур, по перетину покриття та перехідної зони. На цій підставі рекомендовано параметри обробки.
Методом планування експерименту оцінено вплив параметрів нанесення покриттів плазмово-порошковим методом. Отримані рівняння регресії, що описують вплив швидкості обертання деталі, величини сили струму та проведення операції попередньої термообробки для зняття напруг і стабілізації структури на величину зони термічного впливу, рівень мікротвердості та її однорідність по перерізу покриття.
Економічний ефект від впровадження технології підвищення довговічності колінчастих валів нанесенням розробленого складу покриття плазмово-порошковим методом при відновленні 1000 шт склав 279093 грн.
Ключові слова: довговічність, покриття, матеріал, міцність зчеплення, структура, фазовий склад, зносостійкість, плазмово-порошковий метод.
АнНотация
Харьяков А.В. Повышение долговечности деталей нанесением износостойких покрытий плазменно-порошковым методом - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 "Материаловедение". Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. Харьков, 2007.
Диссертация направлена на повышение долговечности деталей машин – коленчатых валов, крестовин карданных валов нанесением покрытий плазменно-порошковым методом за счет разработки эффективного материала и параметров обработки.
Рассмотрены широко применяемые материалы, которые используют для нанесения покрытий. Выбор наиболее эффективных определяется требованиями, предъявляемыми к деталям в эксплуатации, а также с условиями работы сопряжения. В ряде случаев применение стандартных порошков не обеспечивает такие требования.
При проведении исследований использованы методы определения механических свойств, структуры, микрораспределения компонентов покрытия и переходной зоны, а также методы математического моделирования температурных процессов обработки с разработкой специальных компьютерных программ. При разработке нового материала и оценки влияния параметров его обработки на свойства полученного покрытия использовали метод планирования эксперимента.
Оценено влияние параметров нанесения покрытий плазменно-порошковым способом. Получены уравнения регрессии, описывающие влияние скорости вращения детали, величины силы тока и проведения операции предварительной термообработки для снятия напряжений и стабилизации структуры на величину зоны термического влияния, уровень микротвердости и ее однородность по сечению покрытия, а также степень неоднородности структуры.
Показано, что наиболее высокая износостойкость деталей обеспечивается при формировании в структуре специальных карбидов Ме>23>С>6>, а также легированного цементита. Доля упрочняющей фазы составляет 6 – 8%. Методом микрорентгеноспектрального анализа установлено, что в предложенном материале карбид. Ме>23>C>6> содержит до 43,9% Cr, Ме>3>C – до 13% Cr.
Методом математического моделирования выполнена оценка температурного поля при нанесении покрытий плазменно-порошковым методом. Это позволяет получить картину влияния тепловложения в распределение температур, по сечению покрытия и переходной зоны. Оценено изменение структурных зон с учетом формируемого температурного поля.
Наибольшая эффективность применения плазменного метода достигается за счет использования плазменной дуги в качества источника тепла для предварительной обработки поверхности детали в сочетании с последующим нанесением покрытия.
Порошковая композиция на основе Fe легированная системой элементов Ni – Cr – Si – B – Mn – Mo – Cu, обеспечила повышение долговечности деталей в 1,5 раза по сравнению с деталями, изготовленными по существующей технологии (термообработка по режиму: нормализация с последующим поверхностным закаливанием и высоким отжигом). Параметры и технологические операции нанесения покрытий плазменно-порошковым методом обеспечивают оптимальные свойства и длину переходной и зоны термического влияния.
Экономический эффект от внедрение технологии восстановления коленчатых валов нанесением разработанного покрытия плазменно-порошковым методом при восстановлении 1000 шт составил 279093 грн.
Ключевые слова: долговечность, покрытие, материал, прочность сцепления, структура, фазовый состав, износостойкость, плазменно-порошковый метод.
Annotation
Kharyakov A. V. Increase of machine parts durability by coating wearproof coverages with the use of plasma-powder methods. – Manuscript.
Dissertation of a competitor for the academic degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.01 “Science of Materials”. Kharkiv National Road Transport University. Kharkiv, 2007.
The dissertation is aimed at improving the performance attributes of machine components, i.e. crankshafts and universal joint crosses, by means of depositing coatings by the plasma-powder method.
It has been demonstrated that the highest wear resistance of components is secured upon formation of special carbides Me>23>C>6>, as well as of alloyed cementite, in the structure. The portion of the reinforcing phase constitutes 6 to 8 %. It has been determined using the method of X-ray microspectral analysis that Me>23>C>6> contains 43,9 % of Cr, Me>3>C – 13 % of Cr. Matrix of the coating represents a ferrite-pearlite structure.
Dependence of the influence of temperature treatment conditions on the alteration of the coating structure and the transitional area was established.
An assessment of the temperature field during the deposition of coatings by the plasma-powder method was carried out using the method of mathematical modeling. This enables to receive a picture of the influence of heat input into the distribution of temperatures, as per the section of coating and the transitional area. It provides a basis for recommending the parameters of treatment.
Using the method of experiment planning, the influence of the parameters of coatings deposited by the plasma-powder method was assessed. Regression equations have been obtained which describe the influence of the rotation speed of a component, the amperage value and conducting of the operation of preliminary thermal treatment for relieving the stress and stabilizing the structure on the size of the thermal influence area, its level of microhardness and uniformity along the section of coating.
The economic benefit resulting from the implementation of the technology of crankshaft reconstruction by means of depositing the developed coating by the plasma-powder method has amounted, upon the reconstruction of 1000 pcs., to 279093 UAH.
Keywords: service life, coverages, material, strength adhesion, structure, phase composition, wear resistance, plasma-powder method.