НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Мєдвєдєва Наталя Анатоліївна

УДК 621.791.75

ПІДВИЩЕННЯ МІЦНОСТІ ЗЧЕПЛЕННЯ ТА ЗНИЖЕННЯ

ПОРИСТОСТІ ГАЗОТЕРМІЧНИХ ПОКРИТТІВ З ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ЕЛЕКТРОКОНТАКТНИМ ПРИПІКАННЯМ

Спеціальність: 05.03.06 – зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі експлуатації і ремонту машин Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Кіровоград

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Лопата Лариса

Анатоліївна, Кіровоградський національний технічний

університет, м. Кіровоград, доцент кафедри “Експлуатація

і ремонт машин”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Астахов Євген Аркадійович –

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

м. Київ, провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Ляшенко Борис

Артемович – Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка

НАН України, м. Київ, завідувач лабораторії

Провідна установа:

Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра металургії і технології зварювального виробництва, м. Маріуполь

Захист дисертації відбудеться “ 18 ” вересня 2006 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України, “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою:

03056, м. Київ – 56, пр. Перемоги 37, корпус № 19, ауд. 435

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ – 56, пр. Перемоги, 37

Автореферат розісланий “17” серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.002.15

доктор технічних наук, професор |

Головко Л.Ф.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання традиційних схем реалізації способів газотермічного напилення (ГТНП), зокрема гаополуменевого (ГПН) та електродугового (ЕДН) напилення, дозволяє формувати покриття, що задовольняють запитам багатьох ремонтних виробництв. Однак якісні параметри цих покриттів не завжди адекватні підвищеним вимогам до експлуатаційних характеристик деталей машин, що працюють в умовах інтенсивних виробничих процесів. У цих умовах можливими шляхами підвищення якості при нанесенні покриттів методами газотермічного напилення і розширення області їхнього раціонального використання є пошук нових прийомів, що дозволяють зробити якісний стрибок у властивостях покриттів. Дослідження ГПН і ЕДН отримали направленість на раціональне активування процесів напилення поверхні і її послідуюче модифікування. Високу зносостійкість, твердість та інші властивості покриттів можна забезпечувати такими методами модифікування, як термо- чи механотермічне зміцнення. Використання комбінації технології напилення і наступного термомеханічного зміцнення відкриває великі можливості в створенні захисних покриттів з високими показниками адгезійної та когезійної міцності.

Тому дисертаційна робота, яка спрямована на підвищення якості газотермічних покриттів, має актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно: плану науково-дослідних робіт Кіровоградського національного технічного університету (КНТУ) по темах „Підвищення якості газотермічних покриттів електроконтактним зміцненням” (№ д.р. НИР–0103U006983) і „Наукові основи механотермічних методів формування покриттів” (№ д.р. НИР–0103U006984); договорам між КНТУ і Інститутом проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України по темі „Визначення комплексу механічних властивостей композиції основа – покриття”; між КНТУ і Олександрівською ремонтною базою „Укргазенергосервіс” Кіровоградської області по темі „Розробка технології напилення антикорозійних покриттів на деталі компресорної техніки”; між КНТУ і Кіровоградським АТП „Агробудавтосервіс” по темі „Розробка технології відновлення деталей типу “вал” автотракторної техніки”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення міцності та зниження пористості напилених покриттів електроконтактним припіканням (ЕКП). Надалі під терміном напилення маємо на увазі газотермічне напилення. Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

2

- обґрунтувати доцільність та можливість використання електроконтактного припікання для зміцнення і підвищення властивостей напилених покриттів (НП);

- теоретично і експериментально вивчити особливості процесу формування (ущільнення та нагрівання) напилених покриттів при їх електроконтактному припіканні, і одержати аналітичні залежності, які зв'язують параметри процесу із властивостями покриттів;

- дослідити технологічні особливості електроконтактного припікання напилених покриттів (ЕКПНП), вплив параметрів ЕКП на міцність зчеплення і пористість напилених покриттів і визначити область їх оптимальних значень;

- розробити технологію електроконтактного припікання напилених покриттів, визначити структуру, хімічний склад і фізико-механічні властивості покриттів. Дати порівняльний аналіз структури і фізико-механічних властивостей напилених і припечених шарів;

- запропонувати практичні рекомендації по використанню розробленої технології ЕКПНП при зміцненні і відновленні деталей типу “вал”. Дати техніко-економічну оцінку технології.

Об'єкт дослідження – електроконтактне припікання напилених покриттів з порошкових матеріалів.

Предмет дослідження – властивості напилених покриттів, зміцнених електроконтактним припіканням.

Методи дослідження. Для виконання експериментальних досліджень у роботі були використані наступні методи: електроконтактне припікання на стендах, створених на основі машин для контактного зварювання та наварювання; газополуменеве та електродугове порошкове напилення за допомогою установок, розроблених Державною науковою установою „Об’єднаним інститутом машинобудування” НАН Бєларусі та Фізико-механічним інститутом НАН України відповідно. Визначення параметрів процесу та інші вимірювання проводили з застосуванням відповідного устаткування (термопари, амперметри, вольтметри, оптичні і механічні вимірювальні інструменти і т.д.).

Методи металографічного, рентгеноструктурного та спектрального аналізу використовувалися для дослідження структури, визначення фазового і хімічного складу покриттів. Міцність зчеплення, пористість і втомна міцність покриттів та їх зв’язок з механічними властивостями оцінювались за допомогою розрахунково-експериментальних методик на установках СІІТ – 3 і У-10, які розроблені в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. Обробка результатів досліджень проводилась з використанням статичного методу та багатофакторного планування.

3

В роботі використані аналітичні та чисельні методи для дослідження теплових процесів і особливостей формування напилених покриттів при електроконтактному припіканні, які забезпечують оптимальні умови для вибору параметрів ЕКП для підвищення міцності зчеплення і зниження пористості напилених покриттів. Обробка отриманих даних здійснювалась за допомогою пакету прикладних програм.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано спосіб підвищення міцності зчеплення і зниження пористості покриттів, якій полягає в електроконтактному припіканні заздалегідь напиленого шару та дозволяє одночасно понизити вимоги як до якості напиленого порошкового шару, так і знизити основні параметри припікання (силу струму і тиску). Теоретично обґрунтована і експериментально підтверджена його доцільність.

2. Отримані аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок відносної площі контакту з пористістю та міцністю зчеплення і встановлена закономірність між щільністю покриття та тиском, показали, що процес електроконтактного припікання дозволяє підвищити міцність зчеплення та знизити пористість напилених покриттів.

3. Запропонована модель температурного поля і отримана розрахункова залежність, які показують зв'язок температури з технологічними параметрами процесу (тиском, опором і струмом припікання) та дозволяють визначити характер зміни температури при електроконтактному припіканні напилених покриттів і вибрати оптимальні режими нагрівання, що забезпечує здійснення процесу ЕКПНП при температурах (0,8…0,9) ТПЛ.

4. Встановлено, що модуль пружності покриття наближується до значення модуля пружності компактного матеріалу, що підтверджує зниження пористості напиленого порошкового шару після електроконтактного припікання.

Практичне значення отриманих результатів.

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено багатоопераційну технологію, яка полягає в електроконтактному припіканні напиленого шару і показано, що за її рахунок можна суттєво підвищити якісні характеристики покриття. Адгезійна та когезійна міцність, отриманих покриттів, знаходиться в межах 180...220 МПа, пористість – 1...5%, межа витривалості підвищилась на 15...20%.

Розроблені технологічні рекомендації по відновленню деталей типу “вал” автотракторної і компресорної техніки способом ЕКПНП. Виробничі випробування показали підвищення строку служби деталей в 2 -2,5 рази, економічний ефект від впровадження розробки становив 197,59 грн. на одну деталь, що на програму 2005 року, склало 296 тис. грн. Така комбінована

технологія зумовлює зниження вартості процесів відновлення та зміцнення.

4

Запропонована розрахунково-експериментальна методика визначення комплексу механічних властивостей композиції „основа-покриття” (модуль пружності, адгезійна і когезійна міцність, межа витривалості) для електроконтактного припікання напилених покриттів, яка може бути використана для оптимізації технологічних параметрів процесу шляхом багатофакторного планування експерименту та керування процесом нанесення покриття.

Висновки та основні результати дисертації використовуються у п’яти навчальних дисциплінах Кіровоградського національного технічного університету для студентів спеціальності 8.092.303 – технологія та устаткування відновлення та підвищення зносостійкості машин і конструкцій та при відновленні і зміцненні деталей на ремонтних підприємствах Кіровоградської області.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: основні положення новизни, обґрунтування загальної концепції роботи, мета і задачі дослідження, вибір об'єкту і предмету та методик їх досліджень, визначення технологічних режимів ЕКПНП, аналіз результатів і висновків по дисертаційній роботі при особистій участі у плануванні і проведенні експериментів. Наукові і практичні результати дисертаційної роботи, представленої до захисту, отримані автором у співавторстві відповідно основним публікаціям, у яких особисто автору належить: вибір способу електроконтактного припікання для підвищення якості напилених покриттів [1, 10-12] та його обґрунтування, як експериментальне [2], так і теоретичне [6, 7]; дослідження і визначення структури [4] та властивостей покриття, а саме пористості і модуля пружності та їх зв’язку [13], втомленої міцності (межі витривалості) та її розрахунково-експериментальна методика [5, 9]; теоретичний аналіз кінетики утворення контакту між напиленим покриттям та основою при ЕКП [6]; зв’язок щільності покриття з тиском припікання [7]; розробка багатоопераційної технології, яка полягає в електроконтактному припіканні заздалегідь напилених покриттів [2, 5] і її використання для відновлення та зміцнення поверхонь деталей [3] та результати дослідження відновлених деталей типу “вал” [4, 8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних семінарах і науково-технічних конференціях: ХІ міжнародному науково-технічному семінарі „Високі технології в машинобудуванні”, м. Алушта, 2001 р.; міжнародній науково-технічній конференції „Упрочнение, восстановление и ремонт на рубеже столетий”, м. Новополоцьк, 2001 р.; 35-й науковій конференції викладачів, аспірантів та співробітників кафедри Кіровоградського державного технічного університету м. Кіровоград, 2001 р.; міжнародних науково-практичних

5

конференціях „Проблеми конструювання, виробництва і експлуатації сільськогосподарської техніки”, м. Кіровоград, КДТУ, 2001-2003 р., 2005 р.; 57-й науковій конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету м. Київ, 2001 р.; міжнародних науково-технічних конференціях „Инженерия поверхности и реновация изделий”, м. Ялта, 2002 р., 2005 р.; міжнародній конференції „Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах”, м. Кацивелі, 2002 р.; міжнародних науково-технічних конференціях „Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин”, м. Новополоцьк, 2003 р., 2005 р.; 2-й міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, м. Харків, 2003 р.; міжнародній науково-технічній конференції „Динаміка, міцність і надійність с/г машин”, м. Тернопіль, 2004 р.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 13 наукових праць, у тому числі 7 статей в спеціалізованих виданнях, що увійшли до переліку ВАК України, у міжнародному технічному журналі “Мир Техники и Технологий” і у збірнику наукових праць Тернопільського державного технічного університету та у 4 збірниках тез доповідей науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури та 7 додатків. Загальний обсяг роботи включає 181 сторінку, 58 ілюстрацій, 18 таблиць, 7 додатків, список використаних джерел з 142 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, показані наукова новизна і практична цінність результатів, приведені відомості про апробацію результатів роботи.

У першому розділі на підставі літературних даних показано, що серед відомих методів відновлення і зміцнення поверхонь деталей найбільше поширення отримало газотермічне напилення покриттів. Одним з основних переваг ГТНП є велика універсальність за матеріалами нанесених покриттів, а також можливість нанесення їх з різноманітними функціональними і службовими властивостями на поверхні різної форми і розмірів. Серед методів ГТНП газополуменеве (ГПН) і електродугове напилення (ЕДН) є самими дешевими методами формування покриттів, які задовольняють запитам ремонтних виробництв різного масштабу. Однак, якісні параметри покриттів, отримані цими методами, не завжди адекватні підвищеним

6

вимогам до експлуатаційних характеристик деталей машин, а це істотно ускладнює більш широке застосування даних технологій. ГПН і ЕДН притаманні наявність пористості і недостатня міцність покриттів. Наявність пористості знижує механічні властивості. Дослідження ГПН і ЕДН мають активний розвиток і в теперішній час, вони отримали направленість на раціональне активування процесу напилення поверхні і її послідуюче модифікування.

Аналіз літературних і патентно-інформаційних даних показав, що особливий інтерес для зміцнення напилених покриттів представляють механотермічні способи, серед яких перевагу варто віддати електроконтактним, тому що вони збільшують адгезійну та когезійну міцність напилених покриттів до 180…220 МПа, знижують пористість до 1...5 % при товщині напиленого порошкового шару до 3 мм. Виходячи з результатів аналізу проблеми визначена мета роботи та задачі вирішення поставленої наукової проблеми.

У другому розділі представлені загальна схема і методики досліджень, приведені характеристики використаного в роботі експериментального обладнання.

Дослідження процесу зміцнення напилених покриттів способом електроконтактного припікання було проведено на стендах, створених на основі машин для контактного точкового зварювання МТП-100.5 та контактного наварювання стрічки 011-01-2 і за допомогою установки для газополуменевого напилення УПТР-90 та комплекту спеціального обладнання, яке включає установку для електродугового напилення з металізатором ЕМ – 14.

Контроль основних параметрів процесу ЕКПНП здійснювався комплектом електроустаткування, вихідні сигнали якого реєструвалися осцилографом Н.071.1. Дослідження температурного поля здійснювалося за допомогою термоелектричних перетворювачів ТХА (ГОСТ 3044-77).

Металографічні дослідження та фотографії поверхні відриву порошкового шару поверхні і дослідження мікротопографії були виконані за допомогою мікроскопу „МеF–3” (фірма “Reichirt”, Австрія). Визначення елементного хімічного складу покриттів і вивчення розподілу елементів у покритті та у перехідній зоні між покриттям і основою здійснювали за допомогою електронного мікроскопу “Нанолаб–7” фірми “Оптон” (ФРН) з мікрорентгеноспектральним аналізатором AN 10000 фірми “Лінк Аналітікл” (Англія). Пористість визначали планіметричним методом металографічного аналізу ГОСТ 18898-73.

Міцність зчеплення покриття з основою при нормальному відриві проводили за штифтовою методикою на розривній машині Р–20 ГОСТ 7855-74, а при зсуві – розтягом стандартного зразка з покриттям на установці СІІТ – 3. Мікротвердість вимірювали на

автоматичному мікротвердомірі “Shimadzu” тип М (Японія). Для визначення комплексу величин, що характеризують механічні властивості системи“основа-покриття” (величину

7

пружних характеристик основи і покриття, когезійну та адгезійну міцність) і проведення досліджень на втомну міцність (витривалість) використовувалися експериментально - розрахункові методики і спеціальні установки. Обробка результатів досліджень проводилась з використанням статичного методу та багатофакторного планування.

Матеріалами для досліджень були вибрані порошковий дріт ФМІ – 2 (ТУ 03534506-001-95), розроблений в Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України (м. Львів, Україна) і порошок наплавочного твердого сплаву ПГ-С1 ГОСТ 21448-75, який випускається Торезьким заводом наплавочних твердих сплавів. Доцільність вибору цих матеріалів для досліджень пов’язана з їх складом і спроможністю значно підвищувати зносостійкість, твердість та інші властивості газотермічних покриттів. Порошковий дріт ФМІ-2 складається із стальної оболонки і наповнювача – порошкової суміші ФХ -800 (ГОСТ 9849-74). ПГ-С1 - порошок на залізній основі, являється найбільш масовим продуктом порошкової металургії, до того ж механічна оброблюваність матеріалів на основі заліза значно вища, ніж на нікелевій. Значний вміст в цих матеріалів хрому дозволяє підвищити корозійну стійкість та адгезію покриття. При напилені хром практично не вигорає. Захист від окислення і високі властивості покриттів досягаються за рахунок взаємодії компонентів порошкової шихти поміж собою, при цьому відбуваються процеси відновлення оксидів і легування стальної основи.

У третьому розділі розглянуті теоретичні передумови використання електроконтактного припікання для підвищення міцності зчеплення і щільності напилених покриттів (для дослідження обрали спосіб газополуменевого напилення).

При напиленні спостерігається подібність основних властивостей напиленого шару зі спеченим порошковим тілом. Однак повного спікання часток, подібного до спікання спресованих порошкових тіл, при напилені не відбувається. Процеси при електроконтактному припіканні аналогічні процесам, що відбуваються при гарячому пресуванні. Тому механізм ущільнення порошкових шарів при ЕКПНП можна розглядати як процес, що складається з двох етапів: попереднього спікання і гарячого пресування. Виходячи з основних положень теорії пресування і спікання порошкових тіл, пористість (щільність) і міцність зчеплення покриттів визначалася в залежності від кінетики формування контактів між напиленим порошковим шаром і основою.

Зв'язок між відносною площею контакту і пористістю порошкового шару при ЕКПНП визначається виразом (1), а між відносною площею контакту і міцністю зчеплення

виразом (2). Рішення цих виразів представлено на рис. 1.

(1)

8

де в = const, залежна від структури і властивості матеріалу.

(2)

де - міцність слабкого матеріалу по методиці Кудинова В.В.

а) б)

Рис.1. Зв’язок пористості (а) і міцності зчеплення (б) покриттів з площею контакту при ЕКПНП (рішення рівнянь (1), (2)).

Залежність щільності покриття від тиску припікання (рис.3) визначалася виразом (3). Його рішення представлено на рис 2.

(3)

Согласно полученных выражений (1) – (3) и их решений (рис.1, 3) на рис. 4 представленна зависимость относительной площади контакту и плотностью от давления припекания.|вироблена,справлена| Теоретически полученные данные были обоснованы экспериментально с помощью|посредством| металлографических исследований, проведенные на микроскопе „МеF–3” (фирма “Reichirt”, Австрия).|із| При этом получено удовлетворительное совпадение|стечение| между экспериментально

и теоретически определенными площадями контакту (расхождение не превышает 8..10 %).

9

Рис.2. Графічне рішення рівняння (3)

Рис.3. Залежність щільності покриття від тиску ущільнення через показник політропи п.

Теоретично і експериментально визначено (рис. 5), що спосіб електроконтактного припікання дозволяє підвищити щільність напиленого покриття до 95-99%, а заздалегідь напилений порошковий шар дозволяє знизити тиск припікання в 1,2-2 рази по порівнянню з припіканням вільно насипаного порошку.

Для визначення умов при яких зміцнення напилених покрить повинно відбуватися при температурах припікання, а саме (0,8...0,9)ТПЛ., необхідно знати характер зміни температури в напиленому порошковому шарі при його електроконтактному припіканні і вибрати параметри процесу. З цією метою була використана теоретична модель температурного поля. Теплову задачу для ЕКПНП розглянуто для випадку, коли шар порошку наноситься на зовнішню поверхню циліндра. Математична задача у загальному виді була зведена до рішення системи двомірних рівнянь теплопровідності:

0 r r1, z 0, t 0

,

, r1 r R, z 0, t 0

, ,

, ,

10

де враховано функції розподілення потужності внутрішніх теплових джерел в циліндрах Q1(r, z, t), Q2(r, z, t); функції розподілення температури у початковий момент часу А1(r, z), А2(r, zt); функцію зміни температури на поверхні спряження циліндрів С1(z, t); функцію зміни температури середовища на торцевій поверхні циліндрів В1(r, t), В2(r, t); функцію зміни температури середовища на зовнішній поверхні порожнистого циліндру D2(z, t) і 0, і = 1, 2, 3, … , 9.

Для рішення теплової задачі застосовували пряме і зворотнє перетворення Лапласу. В результаті було отримано вираз, який визначає характер розподілення температури на поверхні, яка зміцнюється і показує його зв’язок з параметрами процесу нагрівання, теплофізичними і геометричними характеристиками порошкового матеріалу і деталі. Встановлена залежність температури від технологічних параметрів процесу, яка може бути регулювальною характеристикою, що дозволяє керувати величиною тиску, опору і струму і вести процес у режимі припікання.

Рис. 4. Залежність щільності покриття (1) та відносної площі контакту між покриттям та основою (2) від тиску припікання при Т = 950єС:

– експериментальні дані;

розрахункові дані. | Рис. 5 Залежність щільності покриття від тиску припікання: для ПГ-С1; ЭКПНП; ЭКП порошков; 1 – теоретичні розрахунки; 2 – експериментальні

У четвертому розділі досліджені параметри процесу ЕКПНП, їхній вплив на властивості, структуру напилених порошкових шарів і визначені їх оптимальні значення, які можуть забезпечити міцність зчеплення покриттів 180...220 МПа і пористість – 1...5 %.

Процес припікання напилених покриттів забезпечується спільною дією температури, що не перевищує 0,8...0,9 температури плавлення, і тиску. ЕКП характеризується високими

11

швидкостями нагрівання (до 1·105 С/с). Основною перевагою процесу електроконтактного припікання є максимальна відтворюваність механічних властивостей покриттів.

Для визначення оптимальних режимів процесу електроконтактного припікання напилених покрить досліджувався вплив технологічних параметрів ЕКП на формування напиленого шару і міцність його з'єднання з основою. З метою комплексної оцінки впливу основних технологічних параметрів процесу ЕКПНП на властивості покрить проводилися експерименти з використанням методів математичного планування. Критеріями оптимізації були: пористість і міцність зчеплення. Був реалізований повний факторний експеримент виду 23 з варіюванням на 2-х рівнях технологічних факторів: тиску, сили струму, тривалості імпульсу. Кількість досвідів j = 8.

В результаті досліджень були встановлені значення основних параметрів процесу: тиск на порошковий шар знаходиться в межах 20...40 МПа, величина струму припікання – 10...16 кА, тривалість імпульсів струму і пауз між імпульсами складає 0,02...0,04 с. На відмінність від електроконтактного припікання напилених порошків, електроконтактного припікання вільно насипаних порошків характеризується тиском 40…100 МПа та величиною струму 15...30 кА. Таким чином, напилення сприяє сприятливому протіканню процесу електроконтактного припікання, а припікання забезпечує підвищення властивостей напилених покриттів.

Металографічні дослідження показали, що при напилені покриття характеризуються специфічною хвилястою мікроструктурою з залишковою пористістю (рис. 7). Напилене покриття має ламелярну структуру часток металу оксидів і порошкового наповнювача. При чому оксиди розташовуються, як правило по границям ламелей.

Структурні особливості і фізико-механічні властивості напилених покриттів, зміцнених ЕКПНП зв’язана з термосиловим впливом. Металографічні дослідження показали (рис. 6 б, 7 б), що в результаті термосилової дії „ламелі” мають більш протяжний характер, щільність покриттів достатньо підвищилась, пористість склала 1...5. Крім того, термосиловий вплив в області підвищених температур забезпечує підвищення адгезійної стійкості. Аналіз структур покриттів, отриманих ЕКПНП, показав, що на границі покриття – деталь відсутня зона перемішування матеріалу покриття з металом деталі (рис. 6, 7).

Ущільнення напиленого шару добре помітно при вивченні форми окремих пор до і після електроконтактного припікання. Дослідження мікро топографії поверхні напиленого покриття на мікроскопі “MeF-3” показало (рис.8), що отвори каналів пор і окремі пори мають округлу форму.

12

а) б)

Рис. 6. Характер перехідної зони та саме покриття, отриманого газополуменевим напиленням (а) та способом ЕКПНП (б), (Ч 100).

а) б)

Рис. 7. Структура покриття: отриманого електродуговим напиленням (а) та способом ЕКПНП (б), (х 200)

В процесі термосилового впливу пори приймають витягнуту форму, а більша їх кількість “зхлопується” і відбувається “залікування” пор, яке було визначено в роботах по електроконтактному припіканню.

Дюрометрічні дослідження показали, що в процесі електроконтактного припікання відбувається|походить| збільшення твердості поверхневого|поверхового,зверхнього| шару, зниження мікротвердості підповерхневих|поверхових,зверхніх| шарів і збільшення мікротвердості в глибших шарах. Це можна пояснити тим|гадка|,

13

що відбувається|походить| перезакалка поверхневого|поверхового,зверхнього| шару газотермічного покриття, яка приводить|призводить,наводить| до

збільшення мікротвердості, а висока відпустка|відпуск| підповерхневих|поверхових,зверхніх| шарів сприяє їх знеміцнюванню|. У глибших шарах в процесі ЕКПНП| відбувається|походить| розпад залишкового аустеніту, що супроводжується|супроводиться| підвищенням мікротвердості (рис. 10).

Рис. 8. Мікротопографія поверхні напиленого покриття | Рис. 9. Деформація пори після електроконтактного припікання напиленого покриття

У таблиці приведені фізико-механічні властивості покриттів, отриманих напиленням і методом ЕКПНП. Дані таблиці стверджують доцільність вибору способу ЕКП для підвищення міцності зчеплення і зниження пористості напилених покриттів.

Таблиця

Фізико-механічні властивості покритів, отриманих напиленням і ЕКПНП

Матеріал

покриття | Пористість П, % | Міцність зчеплення усц, МПа | Твердість HRC

ЕКПНП | Напилених | ЕКПНП | Напилених | ЕКПНП | Напилених

ПГ-С1 | 3 | 25 | 200 | 70 | 56 | 45

ФМІ-2 | 5 | 30 | 180 | 60 | 60 | 50

Пористість покриття вважається властивістю другого, а в деяких випадках і першого порядку. Для електроконтактного припікання напилених покриттів просліджується зв’язок між пружними властивостями і пористістю покриттів. Величина модуля пружності напилених покриттів обумовлено наявністю пористості. В дисертаційній роботі теоретично і

14

експериментально показано, що ЕКП дозволяє знизити пористість напилених покриттів до 1...5 % і наблизити значення модуля пружності до модуля пружності компактних матеріалів (рис. 11).

Адгезійна і когезійна міцність – основні характеристики складових частин композиції “основа-покриття”, співвідношення між якими багато в чому визначає працездатність композиції.

Рис. 10. Розподіл мікротвердості по глибині покриттів, отриманих ЕКПНП: 1 – ФМІ-2; 2 – ПГ-С1. | Рис.11. Залежність модуля пружності від пористості покриття:

1 – покриття, отримане ЕКПНП,

2 –покриття, отримане ЕДН,

3 – покриття, отримане ГПН.

На рис. 12 показано, що ЕКПНП дозволяє підвищити адгезійну і когезійну міцність з 50..70 МПа до 10…200МПа.

а) б)

Рис. 12. Адгезійна і когезійна міцність покриття з порошкового дроту ФМІ-2: напиленого (а) і отриманого ЕКПНП (б) при різних товщинах

15

Межа витривалості є найбільш важливою характеристикою матеріалу. Результати іспитів на втому свідчать про те, що при напилені покриття на деталь суттєво знижується її межа витривалості, однак застосування послідуючого електроконтактного припікання дозволяє підвищити межу витривалості напилених покриттів на 15...20 %.

У п'ятому розділі розроблено технологічний процес електроконтактного припікання напилених покриттів для відновлення деталей типу “вал” і запропоновані практичні рекомендації по використанню розробленої технології для зміцнення деталей автотракторної і компресорної техніки. Обрано обладнання і параметри процесу. Результати експлуатаційних випробувань і дослідження фізико-механічних властивостей відновлених поверхонь показали, що міцність зчеплення покрить зросла до 180-200 МПа, їх пористість складає 3...5 %, строк служби відновлених деталей підвищилася в середньому 2 – 2,5 рази. Економічний ефект від впровадження розробленого технологічного процесу склав 197, 59 грн., на одну деталь, що на програму 2005 року складає 296392,38 грн.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі представлено нове розв’язання наукової задачі підвищення міцності зчеплення і зниження пористості напилених покрить, яке базується на теоретичному і експериментальному обґрунтуванні можливості застосування для вирішення цієї проблеми способу електроконтактного припікання, що відповідно до мети і задачі досліджень, відображено у таких результатах:

1. В дисертаційній роботі виконано аналіз проблеми підвищення якості напилених покриттів, який дозволив вибрати спосіб електроконтактного припікання для підвищення їх міцності зчеплення і зниження пористості.

2. Отримані рівняння, які показують зв'язок відносної площі контакту з пористістю і міцністю зчеплення та теоретично підтверджують, що електроконтактного припікання дозволяє знизити пористість напилених покриттів і підвищити міцність зчеплення. Встановлено закономірність між щільністю покриття та тиском, яка показала, що процес ЕКП дозволяє отримувати практично без пористі покриття при тиску 20 – 30 МПа.

3. Розподіл температури в часі при ЕКПНП показав, що її значення не перевищують температур плавлення основного компонента матеріалу покриття. Отримана розрахункова залежність показує зв’язок температури з технологічними параметрами процесу (тиском, опором і струмом припікання) і дозволяє їх регулювати і керувати властивостями покрить.

4. Металографічні дослідження показали, що мікроструктура напилених покриттів має

16

залишкову пористість. Структурні особливості напилених покриттів, які зміцнені ЕКП пов’язана з термосиловим впливом процесу припікання. В результаті термосилової дії “ламелі” мають більш протяжних характер, щільність покриттів підвищується до 95 – 99%. Аналіз структур покриттів показав, що на границі покриття – деталь відсутня зона перемішування матеріалу покриття з металом деталі.

5. Запропоновано інженерний спосіб розрахунку оптимальних параметрів процесу для одержання покриттів з необхідними властивостями. Визначено технологічні параметри ЕКП напилених покриттів, які забезпечують міцність зчеплення 180-220 МПа і пористість 1-5%: величина струму припікання 8...16 кА; тривалість імпульсу струму і пауз 0,02...0,04с; тиск складає 20...40 МПа.

6. Розроблено розрахунково-експериметальний метод визначення комплексу механічних властивостей композиції “основа-покриття”, що дозволяє скоротити число експериментальних робіт. Когезійна і адгезійна міцність напилених покриттів підвищилася в 2...2,5 рази при використанні ЕКП. Встановлено зв’язок між модулем пружності і пористістю, котрий показав, що спосіб ЕКП дозволяє приблизити значення модуля пружності напилених покриттів після електроконтактного припікання до модуля пружності компактного матеріалу.

7. Електроконтактне припікання дозволило підвищити межу витривалості напилених покриттів на 15-20%. Високочастотні випробування матеріалів із покриттям на втому дозволили виявити слабкі ланки системи “основа-покриття” та склали для покриття із ПГ-С1 і ФМІ-2  ...215 МПа.

8. Синтезовано багатоопераційну технологію, яка полягає в електроконтактному припіканні напиленого шару, при цьому дозволяє досягти найбільшу когезійну, адгезійну міцність і одночасно понизити вимоги як до якості напиленого порошкового шару, так і знизити параметри ЕКП. Така комбінована технологія забезпечує пониження вартості процесів відновлення та зміцнення. Застосування комбінації технології напилення та послідуючого припікання відкриває великі можливості в створенні композиційних покриттів з особливими властивостями.

9. Рішення поставленого наукового завдання дозволило розробити нові технологічні методи відновлення та зміцнення деталей, значно підвищити міцність зчеплення та знизити пористість напилених покриттів. Розроблені технологічні процеси ЕКПНП відновлення деталей типу “вал” автотракторної та компресорної техніки. Виробничі випробування деталей з напиленими покриттями після електроконтактного зміцнення показали підвищення строку їх служби в 2-2,5 рази в порівнянні з деталями, які були напилені. Економічний ефект при впровадженні технології ЕКПНП при відновлення і зміцнення деталей склав 197, 59 грн. на

17

одну деталь, що на програму 2005 року склало 296392,38 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Корж В.Н., Лопата Л.А., Савченко Н.А. Перспективы развития инженерии поверхности деталей машин // Зб. наук. пр. “Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація” – Кіровоград: КДТУ. – 2001. - вип. № 10. – С. 3-5

2. Лопата Л.А., Савченко Н.А. Повышение качества металлизационных покрытий // Зб. наук. пр. “Високі технології в машинобудуванні” – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2001. – вип. 1(4). – С. 175-179.

3. Посвятенко Е.К., Римаренко І.К, Лопата Л.А., Савченко Н.А. Електродугова металізація як спосіб ремонту та інженерії поверхні автомобільних деталей, вузлів та агрегатів // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту й експлуатації автомобілів – Київ: НТУ. – 2002. – вип. 15. – С. 186-190.

4. Лопата Л.А., Лопата В.М., Савченко Н.А., Тунік Т.М. Дослідження відновлення автомобільних деталей типу “вал” електродуговою металізацією // Зб. наук. пр. “Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин” – Кіровоград: КНТУ. – 2005. – вип. 35 – С. 409-416.

5. Кузнецов В.Д., Трапезон А.Г., Лопата Л.А., Медведева Н.А. Сопротивление усталости при высокочастотном изгибе металлизационных покрытий, упрочненных электроконтактном припеканием //Міжнародний науково-технічний збірник „Надійність і довговічність машин і споруд” – Київ: ІПМ ім. Писаренка. – 2005. – № 25. – С. 47-53.

6. Гафо Ю.Н., Лопата Л.А., Медведева Н.А., Кулижский В.Н., Николайчук В.Я.. Кинетика формирования контакта между напыленным покрытием и основой при электроконтактном припекании // Проблеми трибологии. – 2006. – № 1.- С. 148-152.

7. Лопата Л.А., Жданович Г.М., Медведєва Н.А. Особенности уплотнения при электроконтактном припекании напыленных порошковых покрытий // Вісник Хмельницького національного університету. – Хмельницький: ХНУ. – 2006. – вип. 2, Т.1. – С. 9-15.

8. Лопата Л.А., Медведева Н.А., Туник Т.М., Салий С.Г. Повышения качества напыленных покрытий // Международный технический журнал “Мир Техники и Технологий”. – 2005. – № 8 (54). – С. 54-56.

9. В.Д. Кузнецов, А.Г. Трапезон, Л.А. Лопата, Медведева Н.А. Высокочастотная выносливость металлизационных покрытий упрочненных электроконтактным припеканием //Динаміка, міцність, і надійність сільськогосподарських машин. Збірник наукових праць. -

18

ТДТУ – Тернопіль. – 2004. – С. 244-248

10. Черновол М.И., Корж В.Н., Лопата Л.А., Савченко Н.А. Пути совершенствования методов инженерии поверхности деталей машин // Материалы науч.-техн. конф. “Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения”. – Минск: ПГУ. – 2001. – С. 105-109.

11. Лопата Л.А., Савченко Н.А. Основные направления получения качественных износостойких покрытий методом электродуговой металлизации // Матеріали 2-й міжнар. техн. конф. “Инженерия поверхности и реновация изделий”. – Ялта, 2002.

12. Лопата Л.А., Савченко Н.А. Основные направления усовершенствования технологии электродуговой металлизации // Материалы нуач.-техн. конф. “Материалы, технологии и оборудование для восстановления деталей машин”. Минск: УП “Технопринт”. – 2003. – С. 257-258.

13. Корж В.Н., Лопата Л.А., Медведєва Н.А., Туник Т.М. Зависимость модуля упругости напыленных порошковых покрытий от их пористости при электроконтактном упрочнении //Матеріали 5-й Міжнар. техн. конф. “Инженерия поверхности и реновация изделий”. – Киев: АТМ Украины. – 2005. – С. 100-101.

АНОТАЦІЯ

Мєдвєдєва Н.А. Підвищення міцності зчеплення та зниження пористості газотермічних покриттів з порошкових матеріалів електроконтактним припіканням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена питанняю підвищення міцності зчеплення і зниження пористості напилених покриттів електроконтактним припіканням.

В роботі досліджено особливості ущільнення і нагріву напилених шарів при електроконтактному припіканні, що дозволили зв'язати технологічні параметри процесу електроконтактного припікання із властивостями одержуваних покриттів. Представлено та описано результати експериментальних досліджень, які довели доцільність використання електроконтактного припікання для підвищення властивостей напилених покрить з порошкових матеріалів.

Проведено дослідження властивостей отриманих покриттів, |які показали, що синтезування багатоопераційної технології, що пропонується, дозволяє знизити режими припікання , при цьому допускається зниження вимог до якості напиленого шару.

19

Основні результати дисертаційної роботи знайшли промислове впровадження при відновленні циліндричних деталей типу “вал” автотракторної та компресорної техніки.

Ключові слова: напилення (газотермічне), електроконтактне припікання, адгезійна та когезійна міцність, пористість, межа витривалості.

АННОТАЦИЯ

Медведева Н.А. Повышение прочности сцепления и снижение пористости газотермических покрытий из порошковых материалов электроконтактным припеканием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – „Сварка и родственные технологии”. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2006.

Диссертация посвящена вопросам повышения физико-механических свойств покрытий, полученных газотремическим напылением порошковых материалов путем электроконтактного припекания.

В работе установлено, что наиболее существенным недостатком ГТНП является низкая адгезионная и когезионная прочность и наличие пористости при толщине покрытия до 3 мм. Данный недостаток снижает эксплуатационные свойства упрочненных или восстановленных деталей. С целью достижения необходимого качества напыленных покрытий использовалось электроконтактное припекание.

В работе исследованы особенности уплотнения и нагрева напыленных слоев при электроконтактном припекании, которые позволили связать технологические параметры процесса ЭКП со свойствами получаемых покрытий. Для определения условий, при которых упрочнение напыленных покрытий должно осуществляться при температурах припекания и характера изменения температуры была использована теоретическая модель температурного поля и установлена зависимость температуры от технологических параметров процесса. Теоретические и экспериментальные исследования доказали целесообразность использования электроконтактного припекания для повышения свойств напыленных покрытий из порошковых материалов.

Расчетно-экспериментальный метод определения комплекса механических свойств композиции “основа-покрытие” позволил сократить число экспериментальных работ. Установлена связь между модулем упругости и пористостью, которая показала, что способ ЕКП позволяет приблизить значение модуля упругости напыленных покрытий к модулю упругости

20

компактного материала.

Режимы технологии ЕКПНП: для ПГ-С1 дистанция напыления – 150 мм; расход О2, С2Н2 соответственно 3,33·10-4; 1,6·10-4 м3/с; расход порошка15·10-4 кг/с; для ФМИ-2 – дистанция напыления – 130 мм; сила тока – 170 А; давление сжатого воздуха – 0,5...0,6 МПа; величина тока припекания 8…16 кА; длительность импульса тока и пауз 0,02…0,04 с; давление ЭКП составляет 20…40 МПа, скорость перемещения электрода составляет 0,01...0,012 м/с.

Установлено, что разработанный комбинированный процесс позволяет получать покрытие из порошка ПГ-С1 со следующими свойствами: пористость до 1…3 %, прочность сцепления до 220 МПа, прочность покрытия до 200 МПа, твердость до HV 900; модуль Юнга 1,35·105; предел выносливость до 200 МПа.

Основные результаты диссертационной работы нашли промышленное применение при восстановлении и упрочнении автотракторной и компрессорной техники на ремонтных предприятиях Кировоградской области.

Ключевые слова: напыление (газотермическое), электроконтактное припекание, адгезионная и когезионная прочность, пористость, предел выносливости.

SUMMARY

Medvedeva N. Strengthening of cohesive resistance and porosity reduction of gas-thermal powder coatings by means of electric contact sintering. – Manuscript.

Thesis for obtaining a candidate’s degree in Engineering specialty 05.03.06 – Welding and Related Technologies. – National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2006.

The thesis is devoted to the issues of cohesive resistance strengthening and porosity reduction of gas-thermal powder coatings by means of electric contact sintering.

The author investigates the peculiarities of sprayed layers tightening and heating in electric contact sintering which allow to combine technological parameters of electric contact sintering (ECS) with the properties of the coatings produced. The results of experimental studies that proved the expediency of electric contact sintering to improve the properties of sprayed powder coatings are illustrated and described.

The investigation of the obtained coatings properties was carried out. The results of the investigation showed that the synthesis of the proposed multi operational
technology allowed to reduce the sintering regimes and, at the same time, the sprayed layer quality requirements are degraded.

21

The major results of the research have been applied in industrial recovering of cylindrical parts of automobile, tractor and compressor machinery.

Key words: spraying (gas-thermal); electric contact sintering, adhesive and cohesive resistance, porosity, fatigue limits.

Підписано до друку 1.08.2006. Формат 60х84 1/16.

Папір білий. Надруковано на ізографі. Ум. друк. арк. 0,9.

Зам. № 463/2006. Тираж 100 прим.

© РВЛ КНТУ. 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Тел. (0522) 390-541, 390-551.