НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

КРАСОТА МИХАЙЛО ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК.621.791.92

ТЕХНОЛОГІЯ ЕЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАВАРЮВАННЯ ПОРОШКІВ З ОТРИМАННЯМ РІВНОМІРНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПО ПЕРЕРІЗУ ПОКРИТТЯ

Cпеціальність 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі експлуатації та ремонту машин Кіровоградського державного технічного університету Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук Лопата Лариса Анатоліївна, Кіровоградський державний технічний університет, доцент кафедри експлуатації та ремонту машин.

Офіційні опоненти – докт. техн. наук, професор Харченко Геннадій Костянтинович – інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

- докт. техн. наук Корж Віктор Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри відновлення деталей машин.

Провідна установа – Приазовський державний технічний університет, Міністерства освіти та науки України (м. Маріуполь), кафедра “Металургія та технологія зварювального виробництва”.

Захист відбудеться 17.06.2002 р о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги 37, корп. №19, ауд 408.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.

Автореферат розіслано 15.05.2002 р

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н. Головко Л.Ф

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією із актуальних проблем машинобудівного виробництва є зміцнення та відновлення деталей машин. При створенні технологій зміцнення та відновлення доцільно застосовувати методи нанесення покриттів, які мають незначний вплив на метал основи для запобігання короблення деталі. Із широкого спектру сучасних методів інженерії поверхні цій умові найбільш повно відповідають електроконтактні методи нанесення покрить в твердій фазі, зокрема метод електроконтактного наварювання порошків (ЕКНП). Великий внесок у розвиток цього методу внесли роботи Н.Н. Дорожкіна, Верещагіна В.К, Ярошевича В.К., Поляченка А.В. та інш.

Процес ЕКНП характеризується використанням електричного струму силою 1,5...30 кА, вторинною напругою 1...6 В, тиском 100 МПа. ЕКНП відзначається високою швидкістю нагрівання зони, що зміцнюється, температура нагріву порошку знаходиться в межах 0,9...0,95Тпл. Покриття, які наносяться методом ЕКНП, мають високі фізико-механічні властивості. Метод характеризується малою зоною термічного впливу, високою продуктивністю, відсутністю випромінювання та газовиділення. Головним принципом електроконтактного наварювання є збереження спадковості, тобто початкових властивостей порошку у матеріалі покриття.

Проте широке застосування метода ЕКНП у виробництві на сьогодні обмежується нерівномірністю нагрівання порошкового матеріалу по перерізу одиничної зварювальної плями, що призводить до погіршення експлуатаційних властивостей відновлених деталей.

Тому тему дисертаційної роботи, спрямовану на поліпшення якості деталей, що відновлюються за технологією електроконтактного наварювання металевих порошків, слід вважати актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з планом науково-дослідницьких робіт Кіровоградського державного технічного університету за тематикою “Розробка і впровадження нових технологій у виробництво та ремонт сільськогосподарської техніки” на 1997-1999 рік.

Мета й задачі дослідження.

Метою роботи є розробка технології нанесення зносостійких покриттів з рівномірними фізико-механічними властивостями по перерізу методом електроконтактного наварювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні задачі:

- теоретично та експериментально дослідити процес нанесення покриття методом ЕКНП і з'ясувати першопричину нерівномірних властивостей покриття;

- розробити методику досліджень;

- розробити спосіб підвищення якості покриття, що дозволяє отримувати покриття з рівномірними фізико-механічними властивостями по перерізу;

- розробити модель температурного поля в системі електрод-деталь, що дозволяє дослідити характер розподілення температури в залежності від ущільнення;

- довести можливість використання композиційних дифузійно-легованих порошків при електроконтактному наварюванні;

- розробити ефективний спосіб обробки покриття, який дозволяє знизити трудомісткість та собівартість обробки;

- дослідити властивості покриттів, отриманих за розробленою технологією;

- розробити практичні рекомендації по використанню результатів досліджень у виробництво при відновленні деталей розробленим способом та провести лабораторні та експлуатаційні випробування відновлених деталей.

Об'єкт дослідження – процеси зміцнення та відновлення зовнішніх циліндричних поверхонь деталей машин.

Предмет дослідження - процес електроконтактного наварювання порошків.

Методи дослідження – процес досліджувався на експериментальних стендах, створених на базі машин для контактного зварювання. Параметри процесу досліджувалися з використанням методик визначення температурного поля, електроопору, тиску у порошковому шарі. Властивості поверхні досліджувалися за допомогою мікротвердомірів, профілографів, мікроскопів тощо.

Наукова новизна і значимість отриманих результатів

- встановлено, що нерівномірне ущільнення порошку при ЕКНП є причиною виникнення градієнту температури по перерізу зварювальної плями, що приводить до нерівномірності фізико-механічних властивостей покриття;

- запропоновано нову схему ущільнення порошку, яка дозволяє підвищити щільність на периферійних дільницях покриття за рахунок збільшення куту захвату і, як наслідок, знизити градієнт температури по перерізу;

- розроблено модель температурного поля в системі електрод-деталь для випадку використання роликового електроду з фасонною контактною поверхнею, яка дозволяє дослідити характер розподілення температури при новій схемі ущільнення;

- доведено, що використання композиційних дифузійно-легованих порошків системи Fe-B-C при ЕКНП сприятливо впливає на процес спікання покриття в твердій фазі за рахунок локального нагрівання боридних оболонок; виділення тепла на боридних оболонках підвищує швидкість дифузії та забезпечує схоплення поверхонь, які дотикаються і приводить до утворення дифузійно-легованого покриття з чарунковою структурою;

- доведено, що у покритті після наварювання залишається температура (0,3…0,6)Тпл протягом 1…1,5 с, що є достатнім для термомеханічної обробки покриття у одному технологічному циклі з наварюванням.

Практичне значення отриманих результатів

- розроблено електрод з фасонною контактною поверхнею;

- розроблено кінематичну схему комбінованого способу нанесення покрить, що включає ЕКНП та ППД, поєднані в одну операцію, запропоновано пристрій для реалізації цього процесу;

- досліджені фізико-механічні, експлуатаційні та геометричні властивості відновлених поверхонь;

- розроблені технологічні рекомендації з відновлення деталей комбінованим способом ЕКНП з ППД;

- результати досліджень використані при розробці технологічного процесу відновлення шийок розподільчого валу.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні дослідження, які викладено в дисертаційній роботі, у повному об'ємі виконані безпосередньо здобувачем під науковим керівництвом к.т.н., доц. Л.А. Лопати. Досліджено вплив механізму ущільнення порошкового шару при ЕКНП на градієнт температури, з метою досягнення рівномірності ущільнення порошків при ЕКНП запропоновано нову схему ущільнення, при якій периферійні дільниці покриття ущільнюються більш інтенсивно ніж центральні, розроблено математичну модель температурного поля в системі електрод-деталь, вивчено механізм утворення покриття спіканням в твердій фазі композиційних дифузійно-легованих порошків, доведено доцільність обробки покриття, отриманого спіканням в твердій фазі методом поверхневого пластичного деформування (ППД) з використанням залишкових температур наварювання.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи повідомлені, обговорені та схвалені на засіданнях кафедр: “Експлуатація та ремонт машин” КДТУ, “Виробництво, ремонт та матеріалознавство” НТУ, а також на міжнародній науковій конференції “Композиционные материалы в промышленности”, Київ, 1999, Інститут надтвердих матеріалів НАН України; на Х міжнародному науково-технічному семінарі Інтерпартнер 2000: “Высокие технологии: развитие и кадровое обеспечение”, НТУ “Харківський політехнічний інститут”; на міжнародній науково-технічній конференції “Землеробська механіка на рубежі сторіч”, м. Мелітополь, Таврійська державна агротехнічна академія, 2001; на 3-й міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” КДТУ, 2001.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 – у наукових фахових виданнях, тези конференції, отримано 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів і висновків загальним обсягом 167 аркушів машинописного тексту, 22 таблиць, 46 рисунків, 127 найменувань використаних джерел та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, показана наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду літературних джерел за темою дисертаційного дослідження.

Одним з основних шляхів збільшення строку служби деталей є підвищення поверхневої твердості і зносостійкості шляхом нанесення покриттів. Найбільш поширеними у виробництві способами нанесення зносостійких покрить на поверхні деталей на сьогодні є наплавлення і напилювання. Однак, незважаючи на різномаїття технологічних схем цих процесів, більшість їх в повній мірі не забезпечує формування бездефектної структури наплавленого шару.

При відновленні або зміцненні деталей технологічний процес нанесення покрить повинен задовольняти основній вимозі – мати незначну зону термічного впливу на деталь з метою зниження її короблення, крім того, цей процес повинен характеризуватися високою продуктивністю, малою трудомісткістю та забезпечувати якість покрить при їх мінімальній механічній обробці.

Дослідження Дорожкіна Н.Н., Поляченка А.В., Радомисельського І.Д., Риморова Є.В., Верещагіна В.О. показали, що електроконтактні методи є перспективними для отримання зносостійких покрить на деталях, що інтенсивно спрацьовуються. Нанесення покрить в твердій фазі (при нагріванні до температури 0,9-0,95Тпл) дозволяє зберегти в покритті основні функціональні властивості, притаманні вихідному матеріалу (тобто дотримання принципу технологічної спадковості академіка П.І.Ящеріцина). Використання електроконтактних методів замість технологій напилювання та наплавлення дозволяє значно підвищити якість покрить, продуктивність їх нанесення, знизити енергоємкість технологій, покращити санітарно-гігієнічні умови праці робітників.

Мала зона термічного впливу внаслідок короткого часу нагрівання дозволяє використовувати електроконтактне нагрівання при нанесенні покрить на довгомірні деталі та деталі з малою товщиною (деталі типу “вал”, трубчаті деталі).

Перспективним матеріалом для відновлення та зміцнення деталей, які працюють в умовах граничного та рідинного тертя є порошкові матеріали, які забезпечують широкий діапазон функціональних властивостей відновлених поверхонь. Використання порошкових матеріалів у вузлах тертя деталей машин має деякі переваги перед компактними матеріалами. Отримання покрить з рівномірною пористістю дозволяє всмоктувати мастила і забезпечувати ефект самозмащування. Змішуючи порошки з різних матеріалів, можна варіювати властивостями покрить у широких межах. Спечені та композиційні компактні матеріали в порівнянні з порошками значно дорожчі, та часто не відповідають умовам навивання (дроти та стрічки руйнуються при подачі).

Метод електроконтактного нанесення порошків отримав назву електроконтактного наварювання (ЕКНП). В деяких літературних джерелах та публікаціях автора даний процес має назву електроконтактного припікання. Однак, як показав літературний огляд, даний метод нанесення покрить крім перелічених переваг має і недоліки, які обмежують його практичне застосування. Так, при електроконтактному наварюванні існує проблема нерівномірних властивостей по перерізу електрода. Відомо, що покриття, яке спікається між деталлю і електродом, має високу пористість та низьку міцність зчеплення на периферійних дільницях, і в процесі експлуатації покриття викришується.

Подальша обробка покриттів, що отримуються електроконтактним наварюванням порошків має значну трудомісткість Проаналізувавши способи обробки твердих зносостійких покриттів зроблено висновок про доцільність обробки методами ППД з метою зниження припуску на обробку та усунення похибок геометрії поверхні, що виникають у процесі нанесення покриття.

У другому розділі описана методика експериментальних досліджень, приведені характеристики обладнання та матеріалів, які використовувалися в роботі.

Були досліджені експериментально основні технологічні параметри електроконтактного наварювання з використанням електрода з фасонною контактною поверхнею, а також при традиційній схемі наварювання. При цьому вивчалися особливості ущільнення та нагрівання, розподілення електричного опору порошкового шару у поперечному перерізі.

Для нанесення зносостійких покрить було запропоновано використати дифузійно-легований композиційний порошок системи Fe-B-С.

Досліджувалися наступні характеристики покрить: пористість, міцність зчеплення, твердість та мікротвердість, розподіл легуючих елементів у покритті, трибологічні властивості, а також геометричні параметри поверхні.

Дослідження виконувалися на установці для контактного наварювання 011-1-12НПС та на рельєфній машині МР-2518. Тиск повітря визначався за манометром ОБМ-1-160. Величина струму наварювання реєструвалася осцилографом Н071.1 Тарування кривої струму виконувалося шляхом прямого вимірювання амплітудного значення струму в імпульсі за допомогою електронного амперметра АСЦ-1М.

В якості матеріалу при нанесенні покриттів було використано композиційний дифузійно-легований порошок системи Fe-B-C фракцій 10…60, 60…100, 100…300, 300…450 мкм та вихідною товщиною дифузійної оболонки 5, 10, 20, 30 мкм.

Тривалість імпульсу струму контролювалася відмітником часу осцилографа при запису струму і регулювалася за допомогою регулятора часу РВИ-80ТУХЛ4.

Дослідження електроопору порошків у навантаженому стані здійснювалися на експериментальній установці ИЕ-2.

Температуру покриття, яке наварювалося, вимірювали за допомогою термоелектричних перетворювачів ТХА, з діаметром дроту 0,3 мм та осцилографа НО71.1. Експериментальні дослідження температурного поля при електроконтактному наварюванні порошків здійснювалися на торцевій циліндричній поверхні зразків ? 20 мм товщиною 10 мм із сталі 45 на віддаленнях від центру зразку – 0, 0,5r та r.

Для визначення епюри деформації при ущільнені порошкового шару використовувалися точкові месдози і тензорезистори 2ПКП-10-200. Діаметр штифта складав 2 мм.

Твердість визначали за Вікерсом. Мікротвердість вимірювали на автоматичному мікротвердомірі “Shimadzu” тип М (Японія).

Мікроструктурні дослідження виконували на мікроскопі МИМ-8, при збільшеннях ?100, Ч200, Ч400. ?ористість навареного шару визначали на цьому ж мікроскопі лінійно-поперечним методом, тобто визначалася кількість пор, що приходиться на довжину базової лінії матового скла.

Розподіл легуючих елементів визначали на рентгенівському мікроаналізаторі Superprobe 733 (JEOL, Японія).

Міцність зчеплення покриттів з основою оцінювалася шляхом відривання штифта довжиною 20 мм діаметром 4 мм на розривній машині Р – 20 ГОСТ 7855-74.

Дослідження зносостійкості і антифрикційних властивостей отриманих покрить проводили на машині тертя МИ-1М при швидкостях ковзання від 0,13 до 2,77 м/с. Моделлю були зразки з покриттям, а для проведення порівняльних характеристик використовували зразки із загартованої сталі 40. Розміри роликів: зовнішній діаметр 40 мм, ширина 10 мм. Контртілами були колодки з сталі 45. Розміри колодки: внутрішній діаметр 40 мм, площа контактної поверхні 10-4 м2.

Перед початком досліджень зразки припрацьовувалися протягом 0,5 год з метою досягнення сталого моменту тертя і температури в зоні тертя. Тривалість одного циклу досліджень складала близько 5 год. Величину зношення визначали мікрометричним методом за допомогою оптиметра.

Для оцінки геометричних параметрів отриманих поверхонь використовували профілограф-профілометр моделі 201 і "Talysarf-5" фірми "Taylor-Hobson" у відповідності з ГОСТ 2789-73. Шорсткість поверхні оцінювали за величиною мікронерівностей Ra, яку визначали за допомогою профілограм, знятих на профілографах-профілометрах.

Третій розділ присвячений теоретичному аналізу основних закономірностей утворення покрить при електроконтактному наварюванні металевих порошків з метою з?ясування причини нерівномірного розподілу фізико-механічних властивостей по перерізу шару.

Встановлено аналітичні залежності пористості від тиску, а також питомого електроопору від тиску. Проаналізовано напружений стан в зоні ущільнення порошку. На основі проведених досліджень запропоновано нову схему ущільнення порошкового шару, яка забезпечує рівномірний розподіл тиску у порошку і, як наслідок, рівномірне його нагрівання. Розраховано геометричні параметри формуючого елемента (електроду), а саме: ширину електроду, на якій контактна поверхня має фасонний профіль.

,

де D – діаметр електроду-ролика;

бр – кут захвату порошку;

hл – товщина покриття;

- кут нахилу ліній ковзання порошку,

та кут нахилу фасонної поверхні

,

де ? – коефіцієнт бокового тиску порошку;

f – коефіцієнт тертя матеріалу порошку.

На основі розрахунків було спроектовано та виготовлено дослідні зразки електродів (точкового та роликового) з фасонною контактною поверхнею відповідно отримано патент на винахід.

Схема електродів показана на рис. 1.

а) б)

Рис. 1. Електроди з фасонною контактною поверхнею:

а) точковий; б) роликовий.

При визначенні геометричних параметрів електрода було з?ясовано, що основними факторами які впливають на форму контактної поверхні є: вид порошкового матеріалу (форма та розмір частинок, власне матеріал частинок), ширина шару, нормальний тиск на порошок.

Теоретично та експериментально було визначено розподіл тиску по перерізу електрода з використанням електрода з фасонною контактною поверхнею рис. 2.

Рис. 2. Розподіл тиску по перерізу електрода:

1 – стандартний електрод;

2 – електрод з фасонною контактною поверхнею

- - - - - - теоретичні криві; експериментальні.

Теплову задачу було вирішено для випадку ЕКНП електродом-роликом на основі аналізу температурного поля в деталі при нанесенні покриття. Визначення температурного поля полягало у вирішенні рівняння теплопровідності для випадку нанесення покриття на зовнішню циліндричну поверхню. Ролик вважали теплоізольованим і, нехтуючи градіентом температури в ньому, визначали тепловий потік, що надходить у покриття.

Вихідним рівнянням при вирішенні теплової задачі було рівняння теплопровідності

,

Рівняння температурного поля має наступний вигляд:

де

v - швидкість переміщення ролика відносно поверхні деталі; a, ? - відповідно коефіцієнти температуро- і теплопроводності матеріалу деталі; b - ширина ролика; h - довжина плями контакту; R – радіус деталі; l - довжина деталі; ? - товщина шару.

На рис. 3 приведені результати чисельних розрахунків температури T по ширині смуги контакту в при наварюванні зносостійких покрить системи Fe-B-C.

Рис. 3. Теоретичні та експериментальні криві температури:

1- з використанням стандартного електроду;

2- з фасонною контактною поверхнею;

- - - - - теоретичні криві; _______ експериментальні;

заштриховано область температур непридатних для ЕКНП.

На основі розрахунків температурного поля була побудована номограма для визначення режимів наварювання.

Теоретичні розрахунки технологічних параметрів були підтверджені експериментально.

У четвертому розділі запропоновано схему нанесення покриття методом ЕКНП та обробкою його методом ППД в одному технологічному циклі.

Були досліджені фізико-механічні, трибологічні властивості та геометричні параметри зразків поверхні отриманою за комбінованою технологією (ЕКНП+ППД), а також вплив технологічних параметрів на фізико-механічні та експлуатаційні властивості покриттів.

Дослідження температурного поля, показали, що після припинення нагрівання в покритті протягом 1…1,5 с зберігається залишкова температура, при якій чарункова структура не втрачає пластичності і здатності деформуватися без руйнування під дією зовнішнього навантаження. Це явище використано для подальшої обробки покриття.

Для реалізації такої технології була розроблена установка, кінематична схема якої представлена на рис. 4 Основними вузлами установки є зварювальна головка, що складається з двох електродів, і пристрій для ППД, змонтований на каретці установки.

Рис. 4. Кінематична схема комбінованого процесу ЕКНП+ППД:

1 – деталь; 2 – бункер з порошковим матеріалом; 3, 4 – нижній та верхній електроди, 5 – деформуючий ролик, 6 – опорний ролик.

Процес нанесення та обробки покриття здійснюється так. Порошок з бункера 2 подається на поверхню деталі 1. Верхній роликовий електрод 3 з фасонною контактною поверхнею накочується на порошковий шар і притискає його з зусиллям Р1 та наварює його на деталь 1. Наварений порошковий шар деформується роликовим обкатником 5 із зусиллям Р2. Для запобігання згину деталі при локальному нагріванні і компенсації деформуючого зусилля в схему введено опорний ролик 6. Усі ролики рухаються механізмом подачі верстата з поздовжньою подачею, що дорівнює ширині електрода ролика. Електроди та деформуючі ролики установки рухалися з однаковою поздовжньою подачею 8 мм/об. Діаметр деформуючого ролика складав 40 мм, ширина 8 мм; діаметр електродів - 140 мм, ширина – 8 мм.

Було установлено, що покриття, яке в момент прикладення зусилля деформуючим роликом, має температуру вищу ніж основа, деформується, заповнюючи пори, що залишаються після ЕКНП. Зайвий метал зміщується в борозни, які залишаються після наварювання фасонним електродом і частково заповнює їх. Чарунки боридних оболонок, які знаходяться у самому верхньому шарі покриття розплющуються та витягуються у напрямку деформації.

Експериментально з'ясовано, що при використанні холодного пластичного деформування для обробки покриттів, отриманих методом ЕКНП, спостерігається руйнування останніх, викликане їх підвищеною крихкістю. У той же час, деформування покриття нагрітому стані не призводить до виникнення мікротріщин, відшарувань чи руйнування.

Шорсткість покриття після ЕКНП складає Ra= 6,3. У випадку нанесення покриття за комбінованою технологією (ЕКНП+ППД) шорсткість поверхні складає Ra=1,6.

Гвинтова канавка яка залишається на поверхні деталі дає можливість утримувати мастило при роботі спряження, подавати його під деяким тиском в зону тертя та більш рівномірно розподіляти по поверхням тертя. Розімкненість канавки (тобто можливість вільного виходу масла) дозволяє покращити перетікання масла в контакті поверхонь. Зразки покрить на різних етапах комбінованої технології представлені на рис. 5 а, б.

а) б)

Рис. 5. Зразки покрить:

а) після ЕКНП; б) після ЕКНП+ППД.

Для оцінки якості покриття досліджувалися мікроструктури та фізико-механічні властивості покрить. Так міцність зчеплення при нанесенні покриття за комбінованою технологією знаходиться в межах 140-180 МПа, пористість 5-8 %, твердість 800 HV100, відносна зносостійкість у порівнянні з загартованою сталлю 45 складала 1,7.

В якості матеріалу для нанесення покриття використовувався композиційний дифузійно-легований порошок системи Fe-B-C із сферичною формою частинок, при цьому матеріалом серцевини була сталь 45, а оболонка складалася з двох боридних фаз FeB та Fe2B, фракція порошків 60-100 мкм, при товщині дифузійної оболонки близько 10 мкм. З'ясовано, що частинки порошку меншого розміру мають вищий електроопір через велику загальну площу поверхні контакту, яка, як правило, вкрита окисними плівками, а отже для нагрівання до потрібної температури потребують вищого значення сили струму. Однак покриття з порошків більших розмірів мають меншу міцність зчеплення, що викликано малою площею контакту з основою.

Установлено, що дифузійне легування бором сприятливо впливає на наварювання порошків. Як вказувалося раніше, для наварювання характерне локальне розігрівання частинок. При ЕКНП нагрівання порошку відбувається в місцях найвищого електроопору. Такими зонами є боридні оболонки, отримані дифузійним легуванням. Виділення тепла на боридних оболонках підвищує швидкість дифузії та забезпечує схоплення поверхонь, які дотикаються і приводить до утворення дифузійно-легованого покриття з чарунковою структурою.

Аналіз мікроструктур показав, що покриття має однорідну бездефектну структуру у вигляді чарунок.

Товщина дифузійної оболонки впливає на зносостійкість покриття, а також істотно позначається на загальному електроопорі порошкового шару. З'ясовано, що оптимальна товщина дифузійної оболонки складає 10-15 мкм. Подальше збільшення товщини оболонки не приводить до підвищення зносостійкості покриття.

Отримано математичні моделі технологічних характеристик процесу наварювання, які встановлюють багатофакторний зв'язок властивостей покриття з технологічними параметрами процесу – тиском (Х1), струмом (Х2), швидкістю наварювання (Х3) - та дозволяють керувати міцністю зчеплення та зносостійкістю.

В результаті визначення коефіцієнтів регресії отримано рівняння регресії

=133+10,53Х1+5,5Х2-3,71Х3-2,71Х1Х2+4,54Х2Х3-6,03Х1Х2Х3

Рівняння регресії при визначенні відносної зносостійкості:

=1,43+0,185Х1+0,115Х2-0,195Х3-0,03Х1Х2+0,085Х1Х2Х3

Аналізуючи рівняння регресії приходимо до висновку, що на міцність зчеплення головним чином впливає тиск, а також дещо в меншій мірі струм та швидкість, а на відносну зносостійкість в значній мірі впливають всі три параметри: тиск, струм, та швидкість.

Залежність міцності зчеплення та зносостійкості від вказаних технологічних параметрів представлено на рис. 6.

Рис. 6. Залежність властивостей покриття від технологічних режимів наварювання:

1 – відносна зносостійкість; 2 – міцність зчеплення.

У п'ятому розділі подано рекомендації для практичного використання комбінованої технології ЕКНП та ППД. Комбінований процес нанесення покрить доцільно використовувати для відновлення та зміцнення циліндричних і плоских деталей, які працюють в умовах рідинного, граничного тертя. Величина спрацювання, яка може бути відновлена знаходиться в межах 0,1-1,5 мм. Застосовуючи порошки з різною товщиною дифузійної оболонки, можна отримувати твердість покриття в межах 30…70 HRC. В залежності від класу деталі, її матеріалу та матеріалу порошку режими наварювання покриття можуть знаходитися в межах: струм І=1,5…30 кА , тиск Р=10…40 МПа; тривалість імпульсів та пауз t= 0,01…0,1 с, товщина покриття ?=0,1…1,5 мм, глибина деформування 0,01…0,5 мм, діаметр деформуючих роликів 30…100 мм.

Пористість, покриття складає 5-12 %, що сприяє утриманню масла в поверхневому шарі. Макрогеометрія, що утворюється в результаті використання профільного електрода, забезпечує якісне підведення і рівномірне розподілення по площі контакту мастильного матеріалу. Гвинтовий характер борозен при відновленні циліндричних деталей сприяє утворенню масляного клина та виведенню продуктів зношення із зони тертя.

На основі проведених досліджень був розроблений технологічний процес відновлення опорних шийок розподільчого вала двигуна 24Д який складається з таких операцій: миття, дефектування, шліфування (з метою зняття дефектного шару), наварювання з одночасним пластичним деформуванням, шліфування чистове. Нанесення покриття комбінованим способом реалізовувалося на модернізованій напівавтоматичній установці для електроконтактного наварювання дроту. Установка складається з візка із зварювальною головкою, приводів подач та шпинделя, пульту керування. На візку монтувався пристрій для пластичного деформування поверхні деталі і бункер з порошковим матеріалом і живильником для подачі порошку в зону наварювання. Відновлення опорних шийок відбувалося за наступними режимами: частота обертання шпинделя n=15 об/хв; поздовжня подача електродів та деформуючих роликів S=8 мм/об; ширина роликів b=8 мм, струм І=2,2 кА, зусилля стиску електродів Р=2±0,2 кН, товщина покриття ?=0,5 мм, тривалість імпульсів та пауз t=0,05 с.

Перевірка працездатності деталей, відновлених за розробленою технологією, здійснювалася на автомобілях ГАЗ-24 “Волга”, ГАЗель та УАЗ. Покриття наносилося на Первомайському авторемонтному заводі Миколаївської області. Було виготовлено партію експериментальних розподільчих валів за розробленою технологією і таку ж кількість – за базовою технологією підприємства - вібродуговим наплавленням.

Експериментальні розподільчі вали встановлювалися на двигуни і після збирання проходили обкатку у відповідності з заводськими технічними умовами. Випробування двигунів виконувалися в КСП “Лан” та інш. КСП Вільшанського району Кіровоградської обл.

Машини з експериментальними деталями експлуатувалися на пасажирських (“Волга”) та вантажних (УАЗ, ГАЗель) перевезеннях.

Порівняння експериментальних та серійних розподільчих валів, а також втулок, які спрягаються з опорними шийками, виконували до і після випробувань зовнішнім оглядом та шляхом вимірювання величини зношення спряжень за допомогою універсальних вимірювальних інструментів: вимірювальних центрів типу ПБМ-500, мікрометра, нутроміра, індикатора годинникового типу.

Економічна доцільність відновлення деталі виявлялася у порівнянні собівартості відновлення розробленого способу із традиційним ЕКНП та базовим способом відновлення підприємства, яким є вібродугове наплавлення, а також на основі .річного економічного ефекту, який досягається за рахунок збільшення зносостійкості відновлених деталей.

Для умов Первомайського авторемонтного заводу отримано річний економічний ефект при впровадженні нової технології у обсязі 4618 грн за рахунок скорочення термічної та шліфувальної операції. Економічний ефект, що отримується за рахунок збільшення зносостійкості валу у порівнянні з традиційною технологією ЕКНП складає 2668,4 грн.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу літературних джерел та практики ремонту було встановлено, що одним з істотних недоліків порошкових покрить отриманих методом ЕКНП, є нерівномірність фізико-механічних властивостей по перерізу зварювальної плями: головним чином пористості та міцності зчеплення з основою, що знижує експлуатаційні властивості відновлених деталей.

2. Причиною цього негативного явища є нерівномірність ущільнення порошку в поперечному перерізі, що приводить до градієнту температури в зоні наварювання.

3. З метою досягнення рівномірного ущільнення порошку при ЕКНП розроблено спосіб підвищення якості покриття, при якому периферійні дільниці ущільнюються більш інтенсивно, ніж центральна зона, за рахунок збільшення куту захвату електрода на вказаних дільницях.

4. Результатом постановки і вирішення теплової задачі для умов використання роликового електрода з фасонною контактною поверхнею стала математична модель температурного поля в системі електрод-деталь. Розрахунки виконані за цим рівнянням показали, що при новому способі ущільнення градієнт температур знижується до значень, які дозволяють якісно вести процес ЕКНП, отримуючи рівномірність фізико-механічних властивостей покриття, теоретичні розрахунки були підтверджені експериментально.

5. Доведено, що використання композиційних дифузійно-легованих порошків системи Fe-B-C при ЕКНП сприятливо впливає на процес спікання покриття в твердій фазі за рахунок локального нагрівання боридних оболонок; виділення тепла на боридних оболонках підвищує швидкість дифузії та забезпечує схоплення поверхонь, які дотикаються і приводить до утворення дифузійно-легованого покриття з чарунковою структурою.

6. Доведено, що у покритті після наварювання залишається температура (0,3…0,6)Тпл протягом 1…1,5 с, що є достатнім для термомеханічної обробки покриття у одному технологічному циклі з наварюванням. Для реалізації цієї технології було спроектовано двороликове обкатне пристосування.

7. Установлено, що розроблений комбінований процес дозволяє отримувати покриття з порошку системи Fe-B-C оптимальної фракції 60...100 мкм з наступними фізико-механічними властивостями: пористість до 10%; міцність зчеплення до 140 МПа; шорсткість Ra 1,6...3,2 мкм; твердість НV 800...1000; відносна зносостійкість – 1,7. Розроблено рекомендації по використанню результатів досліджень на виробництві. В залежності від класу деталі, її матеріалу та матеріалу порошка режими наварювання можуть вибиратися в межах: струм І=1,5…30 кА , тиск Р=10…40 МПа; тривалість імпульсів та пауз t= 0,1…1 с, товщина покриття ?=0,1…1,5 мм, глибина деформування 0,01…0,5 мм, діаметр деформуючих роликів 30…100 мм.

8. Відновлено дослідну партію розподільчих валів за новою технологією, при цьому отримано підвищення зносостійкості в 1,3 рази у порівнянні з традиційною технологією ЕКНП, у порівнянні з базовою технологією відновлення вібродуговим наплавленням – у 1,2 рази і у 1,7 рази – порівняно із зносостійкістю нових цементованих розподільчих валів. Виробничі випробування на Первомайському авторемонтному заводі Миколаївської області і ПСП “Лан” Кіровоградської області показали техніко-економічну перевагу нової технології з досягненням економічного ефекту за рахунок підвищення зносостійкості 2668,4 грн у порівнянні з традиційною технологією та 4618 грн на рік при впровадженні технології на Первомайському АРЗ за рахунок скорочення термічної та шліфувальної операції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Черновол М.І, Лопата Л.А., Красота М.В. Використання електроімпульсного припікання для підвищення фізико-механічних властивостей напилених покрить// Проблеми підвищення надійності та довговічності машин. Збірник наукових праць, Кіровоград, КІСМ, 1996 р. – с. 49-52.

2. Лопата Л.А., Златопольський Ф.Й., Красота М.В. Спосіб зміцнення поверхонь електроімпульсним припіканням композиційних зносостійких покрить//Проблеми підвищення надійності та довговічності машин. Збірник наукових праць., Кіровоград, КІСМ, 1996 р. с. 32-38.

3. Лопата Л.А., Красота М.В., Голубєв С.В., Василенко І.Ф. Основні напрямки створення основ електроконтактного нанесення покрить//Проблеми підвищення надійності та довговічності машин. Збірник наукових праць., Кіровоград, КІСМ, 1996 р. - с. 28-32.

4. Лопата Л.А., Красота М.В., Кладченко В.А., Голубєв С.В. Силове і температурне активування при електроімпульсному припіканні композиційних зносостійких покрить//Проблеми підвищення надійності та довговічності машин. Збірник наукових праць. - Кіровоград, КІСМ, 1996. - с. 94-96.

5. Лопата Л.А, Красота М.В. Досягнення рівномірного нагріву порошкових шарів при електроімпульсному припіканні металевих порошків//Труды Таврической государственной агротехнической академии. - Вип. 2. Том 7, Мелитополь, 1999.- с. 67-69.

6. Лопата Л.А., Красота М.В. Расчет температурных полей при нанесении покрытий способом электроконтактного припекания на наружные цилиндрические поверхности деталей//Високі технології в машинобудуванні. Збірник наукових праць ХДПУ. – Харків, 2000. – Вип. 1. – с. 172-176.

7. Лопата Л.А., Красота М.В. Застосування композиційних дифузійно-легованих порошків при відновленні деталей машин електроконтактним припіканням//Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково технічний збірник. - Кіровоград, КДТУ, 2001 - Вип. 30. - с. 165-169.

8. Лопата Л.А., Красота М.В. Поєднання процесів електроконтактного припікання порошків і теплого пластичного деформування//Cистемні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. – Київ, НТУ, 2001. – вип. 12, с. 73-79.

9. Черновол М.И., Лопата Л.А., Красота М.В. Совершенствование технологии восстановления детали типа "вал" электроконтактным припеканием металлических порошков//Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения: Сб. научн. трудов/Под ред. С.А. Астапчика, П.А. Витязя. – Мн.: Технопринт., ПГУ., 2001. – 736 с. 300-303.

10. Лопата Л.А., Красота М.В. Дослідження працездатності спряження при відновленні валу електроконтактним припіканням фасонним електродом з одночасним пластичним деформуванням поверхні//Проблеми трибології. – Хмельницький, - ТУП, 2001. – с. 125-128.

11. Пат. № 37465А МКИ В22F1/00 Електрод для електроконтактного припікання порошків/ Л.А.Лопата, Ф.Й. Златопольський, М.В.Красота. Заявл. 14.01.99; опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4.

12. Пат. № 37466А МКИ С23С4/00 Спосіб одержання порошкових покрить/ Л.А.Лопата, Ф.Й. Златопольський, М.В.Красота. Заявл. 14.01.99; опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4.

13. Черновол М.И., Лопата Л.А., Красота М.В. Получение износостойких покрытий электроимпульсным припеканием композиционных порошков/Тезисы докладов конференции “Композиционные материалы в промышленности”, - Киев. Институт сверхтвердых материалов НАН Украины.-1999. С. 194.

АНОТАЦІЯ

Красота М.В. Технологія електроконтактного наварювання порошків з отриманням рівномірних властивостей по перерізу покриття. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності відновлення та зміцнення деталей машин методом електроконтактного наварювання металевих порошків. В роботі досліджено особливості ущільнення та нагрівання порошкового шару при електроконтактному наварюванні. З'ясовано причини нерівномірного розподілення фізико-механічних властивостей покрить по перерізу покриття та запропоновано нову схему ущільнення порошку. Розроблено електрод з фасонною контактною поверхнею. Вирішено теплову задачу при наварюванні фасонним електродом. Запропоновано в якості способу обробки термомеханічну обробку покриття, яка виконується в одному технологічному циклі з електроконтактним наварюванням. Доведено доцільність використання дифузійно-легованих порошків системи Fe-B-C при електроконтактному наварюванні. Досліджено фізико-механічні властивості покрить отриманих наварюванням.

Ключові слова: електроконтактне наварювання, дифузійно-легований порошок, фасонний електрод, пластичне деформування.

АННОТАЦИЯ

Красота М.В. Технология электроконтактной наварки порошков с получением равномерных свойств по сечению покрытия. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – Сварка и родственные технологии. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2002.

Целью диссертации является разработка технологии нанесения покрытий с равномерными физико-механическими свойствами по сечению методом электроконтактной наварки. Поставленная цель достигалась путем применения новой схемы уплотнения, которая позволяет равномерно уплотнять порошок в поперечном сечении, что в итоге приводит к равномерному нагреву порошковой формовки и равномерным свойствам покрытия.

В работе было установлено, что одним из наиболее существенных недостатков порошковых покрытий, полученных методом электроконтактной наварки порошков, является неравномерность уплотнения, что является причиной неравномерности физико-механических свойств по сечению элементарного сварочного пятна: главным образом пористости и прочности сцепления с основой. Данный недостаток снижает эксплуатационные свойства упрочненных или восстановленных деталей.

С целью достижения равномерного уплотнения порошка при ЕКНП предложена новая схема уплотнения, при которой периферийные участки покрытия уплотняются интенсивнее чем центральные за счет повышения угла захвата порошка на этих участках. Для реализации данной схемы уплотнения был предложен электрод с фасонной контактной поверхностью. Теоретически рассчитано геометрические параметры электрода (ширина электрода с фасонной частью, угол подъема фасонной части).

Постановка и решение тепловой задачи при использовании роликового электрода с фасонной контактной поверхностью показала, что при новой схеме уплотнения градиент температур снижается до значений, которые позволяют качественно вести процесс ЕКНП, обеспечивая равномерность физико-механических свойств покрытия, теоретические расчеты были подтвержденные экспериментально.

Экспериментальными исследованиями доказана целесообразность использования недефицитных композиционных диффузионно-легированных порошков для покрытий, которые получаются методом ЕКНП.

Впервые предложено использовать остаточное тепло от процесса ЕКНП для поверхностного пластического деформирования порошкового покрытия, для чего операции наваривания и ППД были объединенные в один технологический цикл. Для реализации этой технологии был разработано специальное устройство для серийной наплавочной установки.

Установлено, что разработанный комбинированный процесс позволяет получать покрытие из порошка системы Fe-B-C оптимальной фракции 60...100 мкм со следующими физико-механическими свойствами: пористость до 10%; прочность сцепления до 140 МПа; шероховатость Ra 1,6...3,2 мкм; твердость НV 900...1000; относительная износостойкость составила 1,7.

Режимы комбинированной технологии следующие: ток І=1,5…30 кА, давление Р=10…40 МПа; длительность импульсов и пауз t= 0,1…1 с, толщина покрытия ?=0,1…1,5 мм, глубина деформирования 0,01…0,5 мм, диаметр деформирующих роликов 30…100 мм.

Разработаны рекомендации по использованию результатов исследований в производстве, восстановлена исследовательская партия распределительных валов по новой технологии, а также по традиционной. Производственные испытания на Первомайском авторемонтному заводе Николаевской области и ПСП “Лан” Кировоградской области показали технико-экономическое преимущество новой технологии. Экономический эффект от повышения износостойкости восстановленной детали по сравнению с деталью восстановленной по традиционной технологии составляет 2668,4 грн в год.

Ключевые слова: электроконтактная наварка, диффузионно-легированный порошок, фасонный электрод, пластическое деформирование.

Summary

Krasota М. Powder electrocontact welding technology to get covering profile uniform qualities. Manuscript.

Dissertation for Technical science Candidate in specialty 05.03.06. - Welding and related technologies. – National Technical University of Ukraine “КPI”. Kyiv. 2002.

The dissertation considers the aspects of higher effectiveness of machine part restoration using the method of metal powder electrocontact welding. The work studies the peculiarities of powder layer packing and heating when electrocontact welding is applied. The reasons of irregular distributions of physical and mechanical properties of coatings have been revealed and a new scheme of powder packing has been offered. The contact electrode with contoured surface has been developed. The heat task of contoured electrode welding has been solved. Thermomechanical treatment of coating with electrocontact welding within on technological cycle has been proposed. The expediency of using diffusion doped powders of the Fe-B-C system when applying electrocontact welding has been proved. Physical and mechanical properties of coatings as a result of welding have been studied.

Key words: electrocontact welding, diffusion-doped powder, contoured electrode, plastic deformation.