МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАРКОВИЧ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 621.891

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЕЛЕКТРОДУГОВИМ НАПИЛЕННЯМ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОКРИТТІВ З ЗАСТОСУВАННЯМ РІЗНОРІДНИХ ДРОТІВ

Спеціальність 05.02.04: Тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Експлуатація та ремонт машин” Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор,

Мажейка Олександр Йосипович,

Кіровоградський національний технічний університет , член-кореспондент Інженерної Академії України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кравець Іван Андрійович,

Національний авіаційний університет

кандидат технічних наук

Маленко Віталій Іванович, заступник

головного інженера ДП завод 410 ЦА

Захист відбудеться 27 вересня 2007 р. о 1500 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.04 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ -680, пр. Космонавта Комарова, 1 (1-й навчальний корпус),
ауд. 1-001.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ – 680, пр. Космонавта Комарова, 1
(8-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий 27 серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор В.Ф. Лабунець

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Зміцнення та відновлення деталей машин є актуальною задачею на сучасному розвитку виробництва в Україні і у всьому світі. Численні способи відновлення, такі як різного роду наплавки, приварювання стрічок та порошкових сумішей, приводять до нагріву відновлюваних деталей до високих температур, зміни їх структури та погіршення механічних характеристик, особливо втомної міцності. Газотермічні методи нанесення покриттів не мають таких недоліків. В процесі нанесення газотермічних покриттів деталь нагрівається не більше ніж до 1500С, що не викликає зміни структурного складу виробу і, як наслідок, немає втрати його механічних характеристик. Серед газотермічних методів нанесення покрить електродугове напилення (ЕДН) є найдешевшим, найпродуктивнішим та найпростішим в експлуатації методом, який є найбільш поширеним як на теренах України, так і за кордоном. Застосування у 90-х роках спеціальних порошкових дротів (ПД) для ЕДН дозволило різко розширити область застосування цього методу, одержувати покриття, зносостійкість яких не поступається найкращим плазмовим покриттям. Однак для зносостійких покрить є характерним високий рівень залишкових напружень розтягу, який спричиняє появу мікро- та макротріщин, а також недостатня когезійна та адгезійна міцність. Особливо це характерно для покрить значної товщини, котрі в процесі експлуатації перешліфовуються під ремонтні розміри. Суттєвого покращення механічних та трибологічних характеристик відновлюваної поверхні виробу можна добитись застосуванням композиційних покрить (КП), які поєднують у собі високу зносостійкість та низький рівень напружень розтягу, застосовуючи для ЕДН різнорідні дроти - ПД та суцільнотягнутий дріт (СД). Однак, як свідчать літературні дані, на теперішній час недостатньо експериментальних даних про розробку та створення КП, які б поєднували в собі високий рівень зносостійкості з достатньою пластичністю та когезійною і адгезійною міцністю. Відсутність таких даних про формування КП, про взаємозв’язок складу шихти ПД та комбінацій ПД і СД з трибологічними властивостями одержаних покрить, стримують широке застосування КП у виробництві.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з координаційним планом № 17 “Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології виробництва” міжвузівських науково-технічних програм на 1997-1999 рр ( наказ Міністерства освіти України №37 від 13.02.1996 р. п.1) з пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки „Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, а також планом науково-дослідних робіт Кіровоградського національного технічного університету 2004-2005 року за темою „Підвищення зносостійкості деталей і спряжень сільськогосподарської техніки композиційними покриттями та матеріалами” № держ. реестрації 0103U005126.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є створення методології і принципу підвищення трибологічних властивостей поверхонь тертя завдяки нанесенню КП методом ЕДН двох різнорідних електродних матеріалів – ПД і СД. На основі комплексного дослідження процесу плавлення, перенесення та осадження матеріалів ПД та СД розробити принцип керованого впливу на трибо-логічні характеристики при формуванні покриттів, і на цій основі розробити технологію відновлення деталей машин КП з підвищеною зносостійкістю.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Проаналізувати методи та проблеми нанесення зносостійких КП методом ЕДН

2. Розробити математичну модель для еталонної оцінки впливу зносостійкості КП на ресурс та економічну ефективність відновлення деталей пар тертя.

3. Аналітично визначити фактори впливу технологічних параметрів ЕДН на отримання зносостійкого КП, при якому завдяки оптимізації параметрів процесу здійснити керований вплив на грануляцію розпилених крапель, щоб забезпечити формування КП з підвищеними адгезійною і когезійною міцністю та зносостійкістю, знижуючи при цьому схильність КП значної товщини до утворення тріщин.

4. Аналітично та експериментально встановити вплив легкоіонізуючих елементів в шихті ПД на стабільність горіння дуги в умовах швидкісного струменю при ЕДН та температуру дуги для проплавлення тугоплавких компонентів шихти і сприяння дрібнокрапельному перенесенню розпилених електродних матеріалів для покращення механічних та трибологічних характеристик КП.

5. Встановити зв`зок зносостійкісті з когезійною і адгезійною міцністю та залишковими напруженнями .

6. Провести дослідження процесів, які розвиваються на поверхнях тертя контактуючих тіл, визначити зносостійкість покриття в умовах граничного тертя та абразивного зношення. Встановити оптимальний склад ПД та СД , щоб забезпечити найкращі трибологічні характеристики нанесеного КП.

7. Розробити та впровадити в виробництво технологічний процес відновлення колінчастих валів ЕДН КП. Дати оцінку довговічності деталі та розробити практичні рекомендації по впровадженню технології в виробництво.

Об’єкт дослідження - процес зміцнення та відновлення деталей пар тертя нанесення КП ЕДН

Предмет дослідження – вплив параметрів ЕДН на закономірності формування триботехнічних характеристик КП.

Методи дослідження. Моделювання та експериментальне визначення оптимальних режимів ЕДН для отримання якісного КП, експериментальне дослідження механічних та трибологічних характеристик, металофізичні дослідження ( спектральний аналіз, дюрометричний аналіз, рентгеноструктурний аналіз поверхонь тертя, мікрорентгеноспектральний аналіз), методи математичної статистики з використанням ПЕОМ..

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично обгрунтована і експериментально підтверджена можливість створення КП з двох різнорідних дротів – ПД та СД. Керований вплив пластичною та зносостійкою компонентами КП дозволив отримати комплекс якісних механічних і трибологічних характеристик (Пат. 19967. Україна, МПК(2006) С23С 4/00. Опубл. 15.01. 2007, Бюл. № 1 .- 4 с.)

2. Вперше на основі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень процесу формоутворення крапель визначена можливість отримання двошарового КП, різні механічні та трибологічні властивості шарів якого дозволяють в цілому підвищити якість відновленої деталі. Встановлено, що низький рівень залишкових напружень розтягу у КП дозволяє наносити покриття значної товщини без появи мікротріщин.

3. Аналітично та експериментально встановлено вплив різних компонентів шихти ПД на температуру дуги та її розподіл у поперечному перерізі дуги при ЕДН. Показано, що додатки оксидів рідкоземельних елементів Na та Ca покращують стабільність горіння дуги, а додатки F підвищують її температуру на 550 0С, що дозволило розширити межі впливу на фракційний склад продуктів розпилення та отримати КП з підвищеною зносостійкістю та когезійною і адгезійною міцністю і низьким рівнем залишкових напружень.

4. Встановлена залежність зносостійкості КП від рівня залишкових напружень та адгезійної і когезійної міцності. Розроблена методологія керованого впливу трибологічними характеристиками КП, нанесених ЕДН.

5. Встановлено, що наявність у КП достатньої кількості спеціальних карбідів (FeCr)23C6 та боридів Fe2B забезпечує високу зносостійкість в умовах зношування закріпленим абразивом, однак наявність м’яких складових покриття зменшує його зносостійкість в умовах зношування вільним абразивом, а наявність у КП достатньої кількості оксидів заліза та бору забезпечує низький коефіцієнт тертя при граничному терті.

Практичне значення одержаних результатів.

Створено якісні КП при ЕДН на основі серійних ПД системи Fe-Cr-B-C та СД Св-08 для відновлення деталей машин, поверхні тертя яких працюють в умовах граничного тертя та абразивного зношування. При цьому досягнуто зниження собівартості процесу відновлення.

Розроблено добавки в шихту ПД для ЕДН, застосування яких стабілізує дуговий процес, підвищує температуру дуги та сприяє дрібнокрапельному перенесенню розпилених електродних матеріалів.

Розроблено метод нанесення двошарового КП з різними механічними та трибологічними властивостями в шарах за рахунок зміни технологічних режимів ЕДН, що дозволило отримати КП значної товщини з високою когезійною і адгезійною міцністю та зносостійкістю.

Розроблено технологію відновлення колінчастих та розподільчих валів двигунів внутрішнього згорання, яку впроваджено на підприємстві в Кіровоградському ТОВ „Каліта”. Ресурс роботи реставрованих колінчатих валів не менший 90% ресурсу нового вала.

Основні результати, одержані в дисертаційній роботі, включені в курси дисциплін що викладаються в учбовому процесі студентам механічних спеціальностей , застосовуються в практичній діяльності аспірантів та наукових співробітників КНТУ.

Особистий внесок здобувача:

- розроблено принцип отримання зносостійких КП ЕДН різнорідних дротів з забезпеченням підвищених механічних характеристик за рахунок введення пластичної компоненти;

- отримано кількісне та якісне значення впливу активуючих додатків на стабільність та температуру дугового процесу при ЕДН та оптимізовано склад шихти ПД;

- встановлено залежності температури в дузі від тиску повітря, струму дуги та відстані напилення та визначено вплив параметрів ЕДН на зносостійність покриття;

- розроблено технологію отримання двошарового КП та методів керованого впливу на фізико-механічні властивості покриття в шарах;

- встановлено залежність зносостійкості з когезійною і адгезійною міцністю та залишковими напруженнями в КП.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень доповідались на науково - технiчних конференцiях " Проблеми надiйностi, експлуатацiї i ремонту машин " ( м. Кiровоград 1984 р.), "Проблеми розробки, виробництва i експлуатації пiд'ємно - транспортних, будiвельних i дорожніх машин " ( м. Кiровоград 1994 р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу КНТУ (м. Кіровоград 1995-2006 рр.), 4-й міжнародній науково-технічній конференції „ Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей енергетичного обладнання” ( м. Запоріжжя –Алушта 2006 р.), міжнародній науково-технічній конференції „АВИА-2007” (м. Київ 2007 р.).

Публікації. Основні результати наукових досліджень щодо дисертаційної роботи опубліковані в 10 статтях у фахових виданнях, 4-х тезах наукових конференцій та 1 патенті України.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, висновків, списку літератури з 188 найменувань та 4 додатків. Дисертаційну роботу викладено на 172 сторінках тексту, в тому числі 78 рисунків, 10 таблиць. Загальний обсяг дисертації - 213 сторінок.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформовані задачі дослідженя, наведені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

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

Проаналізовано стан питання в галузі зміцнення та відновлення пар тертя. Визначено основні тенденції і перспективи застосування зносостійких КП та тех-но-логічні методи їх нанесення. Встановлено, що своєрідною тестовою деталлю для різноманітних технологій нанесення зносостійких КП є колінчастий вал, а най-більш перспективною технологією – ЕДН. Проаналізовано особливості дугового процесу при нанесенні покрить ЕДН, температурні умови в дузі та вплив на неї компонентів плазмоутворюючого газу в проміжку між анодом та катодом. Охарактеризовано процес краплеутворення у процесі плавлення електродних матеріалів із СД та його вплив на зносостійкість відновлених дета-лей. Дана якісна та кількісна характеристика втрат розпилюваного матеріалу, коефіцієнту корисної дії процесу напилення та зносостійкості покриттів. Розглянуто конструктивні особливості електродугових апаратів для нанесення покрить ЕДН. Проаналізовано асортимент матеріалів, які використовуються для ЕДН та їх вплив на структуру, механічні та трибологічні характеристики одержуваних покриттів. Вивчений досвід застосування ЕДН для зміцнення та відновлення деталей.

На основі проведеного аналізу літературних джерел сформульовано мету та завдання роботи.

У другому розділі описані програма і методики розрахункових та експериментальних досліджень, що використані в процесі роботи, зокрема для дослідження розподілу елементів та температури в дузі, особливості формоутворення крапель в умовах дугового напилення та їх впливу на зносостійкість КП.

Зносостійкі покриття наносили модифікованим електродуговим металізатором МІГ-2 з застосуванням комбінації з ПД системи Fe-Cr-B-C (ПП-АН-305 та ПП-АН-307), що відрізнялись вмістом Cr та B і СД з різним вмістом вуглецю (Св-08 та 65Г), при цьому ПД слугував в якості катоду, а СД - аноду.

В шихту ПД, для розширення меж впливу на параметри процесу за рахунок стабілізації дуги та підвищення її температури, вводили додатки сполук Na та F.

Вивчення структури та складу зносостійких КП проводили з використанням комплексної методики , яка включає в себе ренгеноструктурний (ДРОН-3) і ренгеноспектральний (CAMECA) мікроаналізи. Гранулометричний мікроаналiз закристалiзованих часток досліджували на пристрої JSM ( Японiя) за допомогою микроскопа „Neofot 21”. Аналіз мiкротвердісті проводили на твердомірі "Shimadzu"(Японiя).

Триботехнічні характеристики покриття досліджували на універсальних машинах тертя МІ-1М та СМЦ-2 з використанням пар тертя за схемою „ диск-колодка”. Визначали зносостійкість покриттів в умовах граничного тертя та зношування закріпленим і незакріпленим абразивом.

Когезійну міцність вивчали методом розриву половинчастих зразків на розривній машині 2055 Р-0,5. Адгезійну міцність оцінювали по штіфтовій методиці. Залишкові напруження визначали методом розрізного кільця.

У третьому розділі розроблена математична модель еталонної оцінки зношування вузла тертя типу „вал-втулка”. Інтенсивність зношування деталі в залежності від тиску в парі тертя; визначали по формулі:

, (1)

де: – інтенсивність зношення при ординарних умовах; Ві -коефіцієнт інтенсивності зношування; Р – тиск в парі тертя; і – показник ступені, який визначає характер залежності .

Величину зношення за час n-го оберту визначали за формулою:

, (2)

де - кут дуги контакту.

Довговічність спряжень з відновленими валами визначали по швидкості зміни зазору за формулою: (3)

де - середнє напрацювання відновленого спряження до граничного зазору , год.; - середнє напрацювання еталонного спряження до граничного зазору , год.

Визначено залежність зносостійкості покриттів від параметрів ЕДН:

, (4)

де І - зносостійкість, dk - діаметр краплі; Kм - коефіцієнт пластичної та міцної скла-до-вої КП; T - температура дуги; А – сила струму дуги; Kd – коефіцієнт впливу додатків.

Для здійснення керованого впливу на фізико-механічні характеристики покриття в процесі його нанесення, розглянуто сили, що діють на краплю розплаву на торці дротового електроду. Встановлено, що при ЕДН на краплю розплаву на торці як СД, так і ПД діють сили гідростатичного тиску, електромагнітний тиск у дузі Pд, електромагнітний тиск у краплі Рк, тиск від протікання парів металу Рп і швидкісний напір газу на поверхні розділення Рот. Умова рівноваги елементу поверхні краплі приймає вид:

(5)

де - поверхневий натяг; i - головнi радiуси кривизни, що визначають форму краплi; - прискорення сил iнерцiї, котрi можуть з`явитись при нестацiонарнiй швидкостi подачi електроду; - координата по вертикальнiй осi, направлена протилежно дiї, сили тяжiння; i - щiльнiсть рiдкого металу краплi i оточуючого її газу.

Розрахункові форми краплин з різнорідних електродних матеріалів, згідно формули (5), показують, що при низьких тисках розпилюючого газу 0-0,08 МПа діаметр краплини є співрозмірним з діаметром як СД, так і ПД. Із зростанням тиску повітря більше 0,1 МПа діаметр краплини, що відривається від торця є меншим для ПД, ніж для СД. Зі зростанням тиску процес диспергування відбувається вже на стадії формування краплі на торці електрода

Для аналітичної оцінки можливості впливу на гранулометричний склад крапель та їх ентальпію і як наслідок впливу на зносостійкість покриття, проаналізовано вплив характеру атмосфери дугового проміжку при ЕДН на стабільність горіння дуги та її температуру. Показано, що температура дуги безпосередньо пов’язана із потенціалом іонізації Іеф атмосфери, що оточує дугу.

Використовуючи співвідношення, що Тсер=KUеф, де К=700 град/еВ розраховані середні значення середньої температури дуги в залежності від концентрації різних елементів – Na, F в умовах дії повітряного струменю при ЕДН. В дузі, атмосфера якої містить лише пари заліза, розрахункова температура становить 55000К. В парах Na середня температура знижується майже до 35000К, а в атмосфері наповненій парами F середня температура дуги може сягати 140000К. В атмосфері парів заліза з домішками досліджених компонентів середня температура дуги знаходиться в інтервалі 3500-140000К.

У четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень залежності зносостійкості від параметрів ЕДН.

Досліджено вплив на зносостійкість температурних умов ЕДН. При цьому для розширення меж впливу на параметри напилення, отримання стабільного процесу формування крапель, в тому числі на низьких значеннях тиску, досліджено вплив легкоіонізуючих додатків в шихті ПД. Для оптимізація кількісного складу додатків по розподілу елементiв i температури в дузi з різнорідними електродами розглянуто криві розподілення температури в стовпі дуги. Криві, побудовані по відносній інтенсивності атомних ліній Fe 389,5 н.м. і Fe 390,2 н.м., свідчать про те, що додаток 0,24% Na2O в ПД знижує температуру дугового проміжку, а додаток 0,38 % NaF навпаки збільшує її. Пари NaF, крім збільшення температури в центрі дуги , зменшують її величину на периферії, що пояснюється стисненням стовпа дуги. Осцилограми струму, зняті в процесі ЕДН, свідчать про зменшення кількості коротких замикань та зростання стабільності напилення із зростанням вмісту Na2O у складі ПД.

На основі експериментальних даних встановлено залежності радіального та аксіального розподілу температури повітря металевого струменю від зміни технологічних параметрів напилення: тиску повітря, величини струму та віддалі від ядра дуги. Так, збільшення тиску від 0,1 до 0,4 МПа приводить до зростання температури дуги на її осі від 600 до 900оС .

На основі досліджень визначено межі температурного інтервалу ЕДН в залежності від сили струму та віддалі напилення, що забезпечує мінімальне зношення КП, та зону оптимальної адгезійної міцності. Зона Т1( U = 24В, L = 150мм) = 500оС Зона Т2 ( U=36В , L =100мм)=750оС (рис. 1).

Проведено дослідження впливу тиску розпилюючого газу на зносостійкість КП. При збільшенні тиску розпилюючого газу зменшуються за розміром краплини як ПД так і СД , що викликає зменшення розміру пор в покритті. При зростанні тиску від від 0,1 до 0,7 МПа розмір пор змінюється від 450 до 35 мкм . Чим більше тиск розпилюючого газу, тим менші за розміром краплини розпилених електродних матеріалів і пори в напиленому покритті. Але разом з тим знижується здатність КП до релаксації залишкових напружень, підвищується схильність до тріщиноутворення та знижується міцність зчеплення з основою (рис. 2).

Рис. 1. Вплив температури Т в залежності від відстані напилення L на зносостійкість, колові напруження к та адгезійну міцність покриття зч покриття ПП-АН-307+Св-08. Тиск напилення 0,4 МПа , U=24В, I= 180А

Рис. 2. Вплив тиску розпилюючого газу на зносостійкість, колові напруження та адгезійну міцність КП: 1 - знос W,g; 2 - колові напруження .

На рис. 3. відображено характер зміни максимальних колових напружень в залежності від часу напилення. При цьому визначено. що на початковій стадії процесу в КП домінують напруження стиску, котрі поступово переходять в напруження ростягу. В процесі охолодження покриття залишкові напруження частково релаксуються. Наявність в КП пластичної складової значно знижує рівень залишкових напружень, особливо в випадку застосування низьковуглецевого СД.

Рис. 3. Характер зміни максимальних колових напружень в залежності від часу напилення при комбінаціях електродних дротів : 1- ПП-АН-307 + ПП-АН-307; 2- ПП-АН-305 + Св-08; 3 - ПП-АН-307 + Св-08.

Провівши дослідження впливу складу дротових матеріалів на зносостійкість та структуру КП визначили, що при формуванні покриття з різнорідних дротів – ПД та СД, кожен із дротів плавиться окремо, не формуючи сумісної ванни розплаву, що підтверджується дослідженням мікроструктури крапель (рис. 4). Тому КП формується із краплин СД та ПД, які не взаємодіють між собою у розплавленому стані. Краплини із СД формують м’яку матрицю із мікротвердістю H?=1500-3000 МПа (Св-08) та мікротвердістю H?=3000-4500 МПа (65Г). Краплин із розплаву ПД формують тверду матрицю із мікротвердістю H?=5000-7000 МПа (ПД-305) та H?=6000-10000 МПа (ПД-307) (табл. 1).

Рис. 4. Мікроструктура покриття (х100) № ПП-АН- 305+Св-08 а)Р=0,08 МПа, U=36В, І=200-220А, Lнап = 100; б)Р = 0,4 МПа,U =24В, І=180-200А, Lнап = 150.

Таблиця 1. Механічні характеристики та фазовий склад КП |

Композиційні покриття

ПП-АН-305 + Св-08 | ПП-АН-305 + 65Г | ПП-АН-307 + Св08 | ПП-АН-307 + 65Г | ПП-АН-307+ ПП-АН-307

Міцність зчеплення, ?зч, МПа | 35-38 | 30-35 | 40-44 | 38-42 | 20-25

Міцність на розрив, ?в, МПа | 220 | 200 | 260 | 240 | 140

Макс. окружні напруження розтягу, ?окр, МПа | 7 | 10 | 7 | 10 | 25

Мікротвердість м’якої матриці Н?, МПа | 1500-3000 | 3000-4500 | 1500-3000 | 3000-4500

Мікротвердість твердої матриці Н?, МПа | 5000-7000 | 5000-7000 | 6000-10000 | 6000-10000 | 6000-10000

Фазовий склад покрить | Fe?, Fe?, (FeCr)23C6, Fe2O3, сліди Cr2O3, B2O3 | Fe?, Fe?, Fe3C, (FeCr)23C6, сліди Cr2O3, Fe2O3, B2O3 | Fe?, Fe2B, FeB, Fe2O3, сліди Cr2O3, CrN, B2O3 | Fe?, Fe?, Fe3C, FeB, Fe2B, сліди Cr2O3, Fe2O3, B2O3

Фазовим аналізом встановлено, що ПП-АН-305 +65Г має матричну фазу легованого мартенситу або його продукт розпаду, значну кількість бориду Fe2B та FeB, залишкового аустеніту, а також оксидів хрому, бору та заліза. КП сформовані із двох різнорідних дротів ПП-АН-305 + Св-08 та ПП-АН-305 + 65Г у своєму складі містять мартенсит, значну частину залишкового аустеніту, незначну кількість карбіду (FeCr)23C6, оксиди заліза та сліди оксиду хрому (рис. 6).

Заміна СД 65Г на Св-08 при формуванні КП не змінює його фазового складу, а лише значно збільшує вміст оксиду заліза у його складі.

Рис. 6. Дифрактограми покриттів з пар електродних дротів ПП-АН- 305 + Св-08 : 1 – Fe?f; 2 – Fe?m; 3 – Fe?;?? 4 – FeCr; 5 – Fe3C; 6 – FeB; 7 – Fe2B; 8 – CrN; 9 – Cr2O3; 10 – Fe2O3; 11 – B2O3.

Встановлено, що зносостійкість КП при випробуваних незакріпленим абразивом є суттєво нижчою ніж сталі ШХ15 (HRC60) та покриття з ПД. Це зумовлено тим, що, у першу чергу, зношуються зерна м’якої матриці. Після зношування м’яких фрагментів покриття острівці твердої фази виступають із матриці а потім вириваються із неї.

Таким чином, КП, яке містить у своїй структурі 40-50% м’якої фази, не може бути достатньо зносостійким в умовах зношування незакріпленими абразивними частинками. За умов абразивного зношування закріпленими частинками зносостійкість КП є набагато більшою, ніж сталі ШХ15 (HRC60 (рис. 7). Виявлено, що закріплений абразив зношує КП рівномірно, оскільки тверді складові, втілені у м’яку матрицю покриття, забезпечують їх рівномірне зношування.

Рис.7. Знос зразків закріпленим абразивом: 1 – 4 покриття з досліджуваних електродних дротів № № (1 – 4); 5 – гартована сталь ШХ 15; 6 – покриття з ПП-307; 7 – покриття з ПД-ФМІ-2 ; . № 1 - ПП-АН-305 ( 2%Cr + 2,5% С + 0,5%В )+ Св- 08; № 2 – ПП-АН-305 +65Г ; № 3 – ПП-АН-307 ( 20% Cr + 0,4% C + 4% B) + Св 08; № 4 – ПП-АН-307 +65Г.

В умовах граничного тертя КП мають в 2-3 рази більшу зносостійкість, ніж гартована сталь ШХ15. Висока зносостійкість КП зумовлена, насамперед, наявністю у покритті м’якої та твердої матриці. Напруження розтягу, які виникають при напиленні, релаксують у м’яку матрицю і тому при шліфуванні таких покриттів не виникає мікротріщин. Наявність у покритті твердих фаз боридів, карбідів, а також легованого мартенситу забезпечують високу зносостійкість КП, а велика кількість оксидів Fe2O3 та В2О3 суттєво зменшує коефіцієнт тертя. При терті, особливо при високих питомих навантаженнях, внаслідок температурних спалахів у поверхневих шарах, частина залишкового аустеніту перетворюється у мартенсит, при цьому поглинається частина теплової енергії і зменшується температура в зоні тертя. Крім того в процесі тертя в поверхневих шарах з’являються сліди вільного графіту. Синусоїдальна зміна характеру коефіцієнта тертя при високих тисках 8-10 МПа може свідчити про періодичне формування та руйнування графітної плівки. Характерним для КП є те, що на відміну від пари сталь – бронза для пари КП-бронза та КП -АМО зі збільшенням питомого навантаження від 1 до 10 МПа коефіцієнт тертя зменшується (рис. 8).

Як свідчать еспериментальні дані, кращі трибологічні характеристики мають КП з електродних дротів ПП-АН-305 та ПП-АН-307 у парі з Св-08. Крім більшої кількості оксидів заліза у покритті, м’які та пластичні краплини з дроту Св-08 зменшують рівень напружень розтягу у КП, сповільнюють зародження та ріст мікротріщин між ламелями, зменшують час припрацювання та об’ємну температуру пари тертя, а також локальну температуру в зоні контакту пари тертя.

На основі попередніх досліджень встановлено залежність між зносостійкістю, адгезійною і когезійною міцністю та залишковими напруженнями КП, нанесенесені комбінаціями ПД та СД, суттево підвищують зносостійкість за рахунок зниження залишкових напружень, підвищення адгезійної і когезійної міцності (рис. 9).

Рис. 9. Знос зразків в залежності від механічних характеристик: 1-когезійна міцність; 2- адгезійна міцність; 3- залишкові колові напруження. Електродні дроти: 1 - ПП-АН-305 + Св- 08; 2 – ПП-АН-305 +65Г ; 3 – ПП-АН-307 + Св 08 ; 4 – ПП-АН-307 +65Г; 5- Сталь ШХ15 (НRC 60); 6 - ПП-АН-307.

Підвищення властивостей КП обумовлено контролюванням розміру крапель при напиленні. Для створення якісного покриття необхідно застосовувати двошарове напилення, при якому підготовчий шар напилюється з краплин збільшеного розміру і температури, за рахунок мінімального тиску розпилюючого газу, підвищеної напруги дуги та зменшення віддалі напилення. При цьому підвищується адгезійна міцність покриття та здатність релаксувати залишкові напруження. Основний шар, для підвищення зносостійкості, внаслідок зменшення пористості та підвищення щільності КП, напилюється з краплин зменшеного розміру за рахунок зміни режимів напилення.

У п`ятому розділі приведено практичні рекомендації щодо використання розроблених композиційних покриттів, зроблено вибір номенклатури деталей для їх відновлення КП. Описано розроблену технологію відновлення колінчастого та розподільчого валу двигунів внутрішнього згорання. Запропонована компоновка обладнання дільниця відновлення колінчатих валів. Показано, що технологія відновлення деталей типу „вал” передбачає напилення спочатку підготовчого, а потім основного шару КП. Підготовчий шар напилюється товщиною 0,5 мм , при тиску повітря Р=0,05 МПа, дистанції напилення 110 мм та на крузі на дузі U=36 В. При напиленні основного шару напруга зменшується до 24 В, дистанція напилення зростає до 150 мм, а тиск до 0,4-0,5 МПа. Такий режим напилення підготовчого та основного шару забезпечує найкращий комплекс механічних та трибологічних характеристик КП. Стендові випробування двигунів ЗМЗ-53 з відновленими колінчастими валами показали підвищення зносостійкості шатунних шийок у 1.8 рази, а корінних у 2.3 рази. Експлуатаційні випробування 40 двигунів ЗМЗ показали, що пробіг двигуна з з відновленими колінчастими валами збільшився в порівнянні із перешліфованим у 1,5 рази. Розроблений технологічний процес відновлення КП деталей типу „вал” впроваджено на підприємстві Кіровоградське ТОВ „Каліта”.

ВИСНОВКИ

1. Вперше розроблена методологія і принцип підвищення трибологічних властивостей поверхонь тертя завдяки нанесенню КП методом ЕДН двох різно-рідних електродних дротів – порошкового та суцільного, яке має підвищений комп-лекс механічних та трибологічних характеристик при зниженні вартості процесу.

2. Розроблена математична модель еталонного зношування вузла тертя вал-втулка з використанням пакетів прикладних програм “Mathcad 2000 Professional” на базі ітераційного процесу . Проведена аналітична оцінка ресурсу та економічної ефективності нових покриттів при відновленні деталей пар тертя.

3. Вперше на основі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень процесу формоутворення крапель пiд дiєю електромагнiтних i гравiтацiйних сил, сил поверхневого натягу i швидкiсного напору повiтряного струменю отриманно двошарове КП, різні механічні та трибологічні властивості шарів якого дозволяють забезпечити підвищену адгезійну і когезійну міцність та зносостійкість за рахунок впливу на грануляцію розпилених крапель.

4. Встановлено, що оксиди лужних металiв збiльшують поперечнi розмiри стовпа дуги при ЕДН, а галогенiди лужних металiв зменшують їх. Наявность в шихті ПД (анод) 0,24 % Na2O знижує температуру на осi стовпа дуги з 5600 до 5100 К, а наявность 0,35 % NaF пiдвищує її до 5900 К, що забезпечує бiльш стабiльний процес ЕДН, практично без коротких замикань дугового промiжку, суттєво знижує величину поверхневого натягу i сприяє дрiбнокрапельному перенесенню електродного металу для отримання зносостійкого КП.

5. Встановлено зв`зок зносостійкісті з когезійною і адгезійною міцністю та залишковими напруженнями, на основі якого розроблено двошаровий метод нанесення КП ЕДН, при якому завдяки оптимізації параметрів процесу здійснено керований вплив на грануляцію розпилених крапель, що забезпечує формування КП з підвищеними адгезійною і когезійною міцністю та зносостійкістю, знижуючи при цьому схильність КП значної товщини до утворення тріщин.

6. Встановлено, що в умовах граничного тертя КП ПП-АН-307 + Св-08 у парі з контртілом із БрС30 і АМО має найкращі трибологічні характеристики. Підви-щена зносостійкість покрить зумовлена наявністю у покритті великої кількості кисню, оксидів заліза та бору, які забезпечують низький рівень коефіцієнта тертя, а наявність у покритті боридів F2B забезпечує його високу зносостійкість. При цьому при збільшенні навантаження від 1 до 10 МПа коефіцієнт тертя зменшується, в той же час для пари сталь ШХ15 з Бр С-30 та АМО - зростає.

7. Встановлено, що в умовах абразивного зносу закріпленим абразивом зносостійкість КП на 2,1 раза вища, ніж покрить із однойменних ПД і на 1,4 рази вища, ніж у сталі ШХ15. В той же час, як в умовах абразивного зносу незакріп-леним абразивом зносостійкість КП є суттєво меншою, ніж покрить із одноймен-них ПД, а також сталі ШХ15, тому використання КП в таких умовах є недоцільним.

8. Розроблено та впроваджено технологічний процес відновлення колінвалів в ТОВ „Каліта” (м. Кіровоград), що дозволило підвищити їх зносостійкість в 2,3 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маркович С. И. Типы материалов для дугового напыления.- В кн.: Проблемы надежности експлуатации и ремонта машин. // Тез. докл. научно-технической конференции. - Кировоград. 1994. - С.66-68. Автором проведено огляд матеріалів для електродугового напилення.

2. Маркович С. И. К вопросу о применении электродугового напыления при восстановлении деталей строительных и дорожних машин. В кн.: Проблемы разработки, производства и эксплуатации подьемно - транспортных, строительных и дорожних машин. // Тез. докл. региональной научно - практической конференции. - Кировоград. 1994. - С. 65-66. Автор провів аналіз застосування електродугового напилення для відновлення деталей машин.

3. Воропай Н.М., Костенюк Н.И., Маркович С.И. Влияние легкоионизируемых компонентов на характеристики процессов сварки в СО2 на переменном токе и импульсной дугой //Автоматическая сварка. – 1998, № 7. С. 77-79. – Маркович С.І. особисто отримав значення впливу активуючих добавок лужних елементів на стабільність та температуру дугового процесу.

4. Маркович С.І., Черновол М.І. Відновлення колінчастих валів дуговим напиленням композиційних покриттів // Автошляховик України . – 1999. №2. С. 20-22. – Маркович С. І. особисто розробив двошарову технологію нанесення КП різнорідними дротами та провів експлуатаційні випробування деталі.

5. Маркович С.І., Черновол М.І. Технологічний процес відновлення колінчастих валів дуговим напиленням композиційними покриттями.//Зб. наукових праць Кіровоградського технічного університету „Техніка в сільсько-господарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. Кіровоград. – 1999. №5. С. 46-51. Маркович С. І. особисто розробив технологічний процес відновлення деталі та впровадив в виробництво.

6. Маркович С.І., Черновол М.І., Мажейка О.Й. Використання електро-дугового напилення для відновлення розподільчого вала ДВЗ// Автошляховик України. -2000.№4. С.17-21. – Маркович С. І. особисто провів дослідження зносостійкості пар тертя з оптимізацією розмірних параметрів, дослідження когезійної та адгезійної міцності та впровадив технологію в виробництво.

7. Мажейка О.Й., Черноіванов В.І., Маркович С.І. Оптимізація розмірних параметрів сільськогосподарської техніки при ремонті // Зб. наукових праць Кіровоградського технічного університету „Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”.Кіровоград. - 2000 №6. С. 69-73.– Маркович С. І. особисто отримав залежність між зносостійкістю відновленої деталі та довговічністю спряження , як наслідку процесу збільшення зазору в парі тертя.

8. Воропай Н.М., Мажейка О.И., Маркович С. И. Распределение температуры в воздушной струе и напыляемой основе при електродуговой металлизации // Автоматическая сварка. - 2004. №5 .С.18-21.– Маркович С. І. особисто вивів залежності температури в дузі від тиску повітря, струму дуги та відстані напилення, провів металографічні дослідження та дослідження механічних властивостей КП при ЕДН різнорідними дротами.

9. Воропай Н.М., Мажейка О.Й., Маркович С.І. и др. Моделювання крапле-утворення електродного металу при електродуговому напиленні композиційних матеріалів. //Зб. наукових праць Кіровоградського технічного університету „Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. Кіровоград. – 2006. №7. С. 78-383.– Маркович С.І. особисто брав участь в розробці аналітичної моделі процесу формування краплі при ЕДН, брав участь в аналізі та узагальнені результатів.

10. Черновол М.І., Мажейка О.Й., Маркович С.І., Студент М.М. Трибологічні характеристики композиційних покриттів, отриманих електродуговим напиленням порошкового та суцільнотягнутого дроту // Проблеми трибології. – 2006. № 4.
С. 88-96. Маркович С.І. особисто провів металографічні, ренгеноструктурні та трибологічні дослідження, отримав залежності між залишковими коловими напруженнями при різних комбінаціях електродних дротів.

11. Пат. 19967. Україна, МПК(2006) С23С 4/00. Спосіб одержання компози-цій-них електродугових покриттів. Маркович С.І., Похмурський В.І., Мажейка О.Й., Студент М.М.Заявлено 16.05.2006; Опубл. 15.01. 2007, Бюл. № 1 .- 4 с

12. Похмурський В.І, Студент М.М, Довгуник В.М., Маркович С.І., Мажей-ка О.Й. Трибологічні характеристики відновних композиційних електродугових покриттів.// Тез. доп. IV міжнародної науково-технічної конференції „Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок”, Запоріжжя-Алушта 25-30 сентября 2006 года.

13. Маркович С.І. Дослідження зв`язку зносостійкості з фізико-механічними властивостями покриттів, нанесених електродуговим напиленням різнорідних дротів // Проблеми тертя та зношування. – Київ, 2007. - №46. С. 16-18. Автор встановив залежність зносостійкості з когезійною і адгезійною міцністю та залишковими напруженнями в КП.

14. Маркович С.І., Марчук В.Е.Дослідження зв`язку зносостійкості з фізико-механічними властивостями покриттів, нанесених електродуговим напиленням різнорідних дротів // Тез. доп. міжнародної науково-технічної конференції „Авиа-2007”. – Київ, 2007. С. . Автор особисто встановив залежність зносостійкості з когезійною і адгезійною міцністю та залишковими напруженнями в КП.

15. Маркович С.І. Оптимізація складу додатків в шихту порошкових дротів для електродугового напилення зносостійких покриттів //Зб. наукових праць Кіровоградського технічного університету „Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація”. Кіровоград. – 2007. №18. С. 158- 164. Автор встановив оптимальний вміст додатків в шихту порошкових дротів та провів експериментальні дослідження.

АНОТАЦІЯ

Маркович С.І. Підвищення зносостійкості деталей машин електродуговим на-пи-ленням композиційних покриттів з застосуванням різнорідних дротів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - Тертя та зношування в машинах. – Національний авіаційний університет. Київ, 2007 р.

Дисертація присвячена розробленню методу підвищення триботехнічних властивостей поверхонь тертя нанесенням композиційних покриттів електродуговим напиленням порошкового та суцільнотягнутого дротів.

В роботі для розширення меж впливу на параметри процесу електродугового напилення за рахунок стабілізації дуги та підвищення її температури, досліджено вплив добавок сполук Na та F на дуговий процес, температуру та фракційний стан продуктів розпилення, на основі чого розроблено добавки до шихти порошкового дроту.

Визначено вплив складу крапель різнорідних дротів та характеру їх взаємодії при дуговому процесі на механічні характеристики покриття. За рахунок керованого впливу на розмір крапель отримано композиційні покриття з підвищеною зносостійкістю та когезійною і адгезійною міцністю, знижуючи при цьому схильність до утворення тріщин композиційних покриттів значної товщини.

Ключові слова: композиційні електродугові покриття, різнорідні дроти, зносостійкість, когезія, адгезія.

ABSTRACT

Marcovich S.I. Rise of wear proof of details of machines by the electrodougovim sawing of composition coverages with the use of heterogeneous wires. – Manuscript.

Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.02.04. - Friction and wear in machines. – the National aviation university. Kiev, 2007.

Dissertation is devoted to development of method of rise of tribotehnichnih properties of surfaces of friction by causing of composition coverages by the electrodougovim sawing of powder-like and soutsilnotyagnoutogo wires.

In work for expansion of scopes of influence on the parameters of process of the electrodougovogo sawing due to stabilization of arc and rise of its temperature, influence of additions of connections Na and F is explored on an arc process, temperature and factious state of products of dispersion, what additions are developed on the basis of to the