Актуальність теми. Для підвищення терміну служби деталей машин нанесенням покриттів широко використовується метод електродугового наплавлення. Як показали дослідження, найчастіше використовуваними й загальнодоступними матеріалами для нанесення покриттів є малокоштовні низьколеговані наплавочні дроти та флюси загального призначення АН-348А і АН-348АМ. Твердість таких покриттів при дотриманні технології процесів нанесення даним методом знаходиться в межах 35 - 38 HRC. Однак твердість більшості робочих поверхонь деталей досліджуваної групи (вали, осі), за технологічними умовами повинна становити не менше 40 HRC, тому, для досягнення необхідної твердості на практиці використовують додаткові технологічні операції, які підвищують властивості поверхневого шару. В основному це операції термічної обробки, які вимагають великих енерговитрат.

У зв'язку з цим дослідження та розробка енергозберігаючих методів і технологій зміцнення покриттів при реновації робочої поверхні та зведення до мінімуму капітальних витрат є важливим і актуальним напрямком досліджень.

Зв'язок роботи з науковими темами, програмами, планами. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувалися відповідно до держбюджетної тематики ХНТУСГ ім. Петра Василенка в період з 2000 по 2008 рр. (тема «Підвищення довговічності та надійності деталей машин»), а також згідно програми «Стратегічні напрямки енерго- та ресурсосберігаючих технологій на період 1997 - 2010 рр.» 4/006ДС (тема «Розробка та впровадження у виробництво нових технологій відновлення деталей машин»).

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності зміцнення робочого шару та терміну служби деталей їх реновацією нанесенням покриттів та зміцненням мікролегуванням і модифікуванням з використанням зольних відходів теплових електростанцій, які додаються у флюс з наступним зміцненням поверхневим пластичним деформуванням (ППД).

Об'єкт дослідження. Зносостійкі покриття, що наносяться на деталі електродуговим наплавленням.

Практична значимість результатів дослідження. Запропоновано комплексний метод підвищення терміну служби покриттів, що працюють в умовах тертя шляхом мікролегування, модифікування та деформаційного зміцнення. За результатами вивчення структури покриттів і їхніх властивостей визначені оптимальні параметри технологічного процесу.

Реновація робочої поверхні комплексним методом забезпечила підвищення зносостійкості деталей в 2,0 - 2,1 рази у порівнянні з відновленими по існуючій технології.

Розробки впроваджено на ВАТ «Пересічанське РТП». Економічний ефект від впровадження запропонованої технології реновації деталей склав 58,3 тис.грн на рік.

Особистий внесок здобувача. Виконані експериментальні дослідження з розробки комплексного методу реновації деталей. Проведена оптимізація технологічних параметрів нанесення покриттів і деформаційного зміцнення. покриття деформаційний електростанція мікролегування

Визначено вплив запропонованого способу нанесення покриттів на властивості. Досліджено вплив ванадію, титана та церію на твердість і мікротвердість покриття.

Експериментально оцінена оптимальна частка добавки до флюсу.

Методом мікрорентгеноспектрального аналізу досліджено розподіл елементів по перерізу покриття.

Виконана оцінка зносостійкості покриттів, оцінене їхнє зношування в різні періоди експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях «Физические и компьютерные технологии» (2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 рр, НВО «ФЕД» м. Харків); міжнародних науково-практичних конференціях «Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки» (2002, 2003, 2004, 2005, 2006 рр ХНТУСГ ім. Петра Василенка, м. Харків); міжнародному форумі молоді «Молодь та сільськогосподарська техніка в XXI сторіччі» (2007 р, ХНТУСГ ім. Петра Василенка, м. Харків); міжнародній науково-технічний конференції «Твердість - універсальний спосіб оцінки якості конструкційних матеріалів» (2008р, ХНАДУ, м. Харків).

Промислова апробація проведена на ВАТ «Пересічанське РТП» при відновленні деталей класу «Стрижні круглі» (вали коробки передач).

Публікація результатів досліджень. За результатами досліджень опубліковано 10 статей (6 у фахових виданнях), отримано патент України.

У вступі обґрунтована актуальність теми, викладені мета та завдання досліджень, наведені наукова новизна та практична значимість роботи, а також визначено особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуті фактори, що визначають термін служби деталей з нанесеним покриттям.

Аналізом встановлено, що більшість деталей машин працюють в умовах абразивного зношування й незначних ударних навантажень, тому для їхнього відновлення нанесенням покриттів методом наплавлення під шаром флюсу застосовують низько- і середньовуглецеві сталі, що мають невисоку зносостійкість і низьку вартість. Аналізом металургійних і технологічних методів реновації робочої поверхні показано, що підвищення експлуатаційних властивостей покриттів є перспективним при використанні комплексного підходу: мікролегуванням, модифікуванням та деформаційним зміцненням поверхні деталей.

Для мікролегування та модифікування металу покриття, яке здійснюється наплавленням, найбільш доцільно застосовувати введення легувальних добавок у флюс. При цьому способі немає необхідності у використанні коштовного легованого дроту, крім того, метод дозволяє регулювати хімічний склад металу покриття.

Перспективним є мікролегування та модифікування металу покриттів з використанням як джерела легованих елементів відходів енергетичних та інших виробництв. Ефект такого мікролегування в літературі висвітлено недостатньо. Крім того, відсутня інформація про засіб і кількість введення такої домішки. Застосування поверхневої термічної й хіміко-термічної обробок при реновації деталей не є перспективним, тому що це може змінити структуру й властивості серцевини попередньо зміцнених деталей, а також порушити їхню прямолінійність, крім того, такі операції вимагають спеціального устаткування, додаткових витрат енергоносіїв. При реалізації деформаційного зміцнення спеціальною механічною обробкою оцінюють ступінь впливу параметрів на структуру й властивості поверхневого шару металу покриття, а також оптимізують режими такої обробки. Відомості по такому напрямку досліджень розрізнені та уривчасті. З економічної точки зору при зміцненні покриттів раціонально застосовувати, як фінішну операцію, алмазне вигладжування, яке не вимагає великих витрат на обладнання. Роботи, присвячені вивченню впливу алмазного вигладжування на властивості низьковуглецевого металу покриттів, у літературі практично відсутні.

Найбільшого ефекту можна досягти, якщо використовувати відразу декілька технологічних операцій по зміцненню покриттів. У літературі виявлено недостатньо досліджень, присвячених розробці комплексного підходу до підвищення експлуатаційних властивостей покриттів, нанесених наплавленням.

У другому розділі розглянуті методи й методики досліджень. Розроблена методологія досліджень, яка включає проведення експериментів з оцінки структури та властивостей покриттів з урахуванням способу мікролегування та модифікування матеріалу і параметрів процесу реновації. Застосування спеціальної механічної обробки сприяє зміцненню робочої поверхні та підвищенню терміну служби деталей. Запропонована послідовність проведення досліджень для вирішення поставлених завдань і досягнення мети роботи.

На основі аналізу умов експлуатації розглянутих деталей типу тіл обертання, виготовлених зі сталі 40Х та вимог до них, а також вивчення типів зразків і видів випробувань, які застосовуються, використано комплексний метод оцінки властивостей покриттів і їхньої зносостійкості.

Оцінку якості покриття виконували з використанням сучасних методів досліджень: металографічних, спектральних, мікрорентгеноспектральних, рентгеноструктурних аналізів; оцінки твердості, мікротвердості та міцності зчеплення покриття з основою.

Дослідження структури та властивостей покриттів проводили безпосередньо на матеріалі валів, виготовлених зі сталі 40Х. Покриття наносили методом електродугового наплавлення низьковуглецевим дротом Нп-30ХГСА під шаром флюсу АН-348А та додатковим введенням до нього зольних відходів, які були одержані на Зміївській ДРЕС, вміст компонентів яких складав: Al 12,7 - 14,2 %; Fe 19,3 - 20,0 %; Mg 1,9 - 2,0 %; Cu 0,6 - 1,0 %; Mn 0,45 - 0,6 %; Ti 1,2 - 1,5 %; V 1,2 - 1,7 %; Ce 3,9 - 4,4 %; P 0,02 - 0,03 %; S 0,02 - 0,04 %; Si - решта. Аналіз виконано спектральним методом проб після сплавлення зольних відходів на спектрометрі МФС-6.

При дослідженні деформаційного зміцнення глибина сформованих «білих шарів» визначалась на косих шліфах, а їхню товщина оцінювалась параметром: , де А - довжина лиски; h^* - товщина зміцненого шару на косому шліфі; D - діаметр зразка.

Структури покриттів вивчали за допомогою мікроскопа МИМ-8 зі встановленою цифровою фотокамерою, яка була підключена до комп'ютера.

Розподіл хімічних елементів між зонами та мікроструктуру покриттів вивчали за допомогою електронного мікроскопу JSM-820 «JEOL» з системою рентгенівського мікроаналізу Link AN10/85S «Link Analytical» при збільшенні 2000 - 5000 раз (локальність аналізу 1 - 2 мкм).

Рентгенівські зйомки проводили на установці ДРОН-3 у випромінюванні хромового анода з ванадієвим фільтром на відбитому пучку (U=25кV, I=30мA). Дифракційне відбиття реєструвалося в кутовому інтервалі 2И=50 - 167⁰.

Міцність зчеплення покриття з основою оцінювали за методикою, запропонованою Гуляєвим А.П. і Гудцовим Н.Т., на спеціальних зразках, вирізаних безпосередньо із валів у місці перехідної зони. Випробування проводили на приладі для визначення мікротвердості ПМТ-3 при навантаженні 50 та 100 г, а потім за емпіричними залежностями оцінювали у_в.

Випробування на абразивне зношування проводили на машині тертя МИ-1М без додаткового навантаження при подачі мастильного матеріалу із частками кварцового піску, який складався з 70% часток розміром 5 мкм і 30% - 10мкм, із розрахунку 0,8г абразиву на 100г мастильного матеріалу.

Третій розділ роботи присвячений деформаційному зміцненню металу покриттів у процесі спеціальної механічної обробки.

Покриття наносили методом електродугового наплавлення по режимам: сила струму I = 180 А; напруга U = 30 В; частота обертання деталі n = 2,5 хв^-1; крок наплавлення S = 3,2 мм/об; виліт дроту д = 19 мм; зміщення електрода 5 мм.

Для одержання зміцненого шару на поверхні деталі, яка обробляється, необхідно створити певні температурно-силові умови. Температура та тиск у зоні обробки залежать від форми різального інструменту, параметрів технологічного процесу (точіння).

При дослідженні впливу переднього кута різця на мікротвердість його величину змінювали від ?10⁰ до ?60⁰ (Табл. 1).

Таблиця 1

Вплив параметрів обробки на зміцнення покриття нанесеного наплавленням під шаром флюсу АН-348А

^*) Примітка: вихідна мікротвердість H-50-310 - 322

Дослідженнями встановлено, що точіння покриття, нанесеного дротом Нп-30ХГСА, з використанням інструменту із надтвердих матеріалів на основі нітриду бору типу «Кіборіт» (К 11) з від'ємним переднім кутом г=?40⁰ сприяє підвищенню температур і великого тиску, що призводить до формування слаботравлених гартівних структур, так званих «білих шарів». Сформований безструктурний мартенсит «білого шару» має мікротвердість Н-50 ? 570 - 592, що істотно вище, мікротвердості матеріалу покриття. На рис. 1 наведена структура й властивості такого шару.

З огляду на невелику глибину зміцнення покриття (до 60мкм) встановлено, що така обробка не забезпечує стабільно високої стійкості в період сталого зношування, а лише скорочує тривалість і знижує інтенсивність зношування у період припрацьовування, що підтверджується іспитами на зносостійкість.

Зміцнювальна обробка дозволяє одержувати шорсткість поверхні не менш ніж R_а=2,3 мкм. Тому, як фінішну операцію, додатково рекомендується застосовувати алмазне вигладжування, яке дозволить знизити шорсткість обробленої поверхні в середньому до R_а=0,6-0,7 мкм (рис. 2). Це забезпечить збільшення зносостійкості за рахунок зростання несучої здатності поверхні через збільшення відносної опорної довжини, а також додатково підвищить її мікротвердість.

Методом планування експерименту оцінено вплив параметрів спеціальної механічної обробки. Отримані рівняння регресії, що описують вплив швидкості, подачі і глибини різання на мікротвердість (рівняння 1) та товщину зміцненого шару (рівняння 2).

Рівняння регресії мають вигляд:

Y1=380,5+15,66Х1+19,36Х2+59,94Х3?11,25 Х1 Х2+1,5 Х1 Х3? (1)

?12,5 Х2 Х3+7,01Х1²+35,47Х2²+28,58Х3²

Y2=17,56+1,82Х1+2,64Х2+3,44Х3?1,25 Х1 Х2?1,5 Х1 Х3? (2)

?1,25 Х2 Х3?1,33Х1²+2,57Х2²+2,92Х3²

де: Y₁ - рівень мікротвердості; Y₂ - товщина зміцненого шару.

При цьому швидкість різання (X₁) змінювали в межах V=0,9-2,27 об/хв; величину подачі (X₂) S=0,14-0,28 мм/об; глибину різання (X₃) t=0,25-0,45 мм.

Встановлено, що більш вагомий вплив на рівень мікротвердості та товщину зміцненого шару, у порівнянні зі швидкістю різання, має глибина різання та величина подачі.

У четвертому розділі виконано аналіз структури та властивостей покриттів, нанесених з використанням добавок у флюс зольних відходів Зміївської ДРЕС.

Розроблено технологію нанесення покриттів з використанням добавок зольних відходів у флюс, що забезпечило їхню задовільну якість за рівнем твердості й міцності. Перед введенням у флюс зольної добавки її прожарювали при температурі 300 - 400⁰С, потім дробили, сортували й відокремлювали зерна 0,5 - 3,0 мм, які відповідали розмірам гранул стандартного флюсу АН-348А. Параметри нанесення покриттів використовували ті, що наведені у розділі 3. При цьому долю добавки зольних відходів у флюс змінювали від 5 до 20%.

Вивчено вплив різної долі добавок у флюс зольних відходів, які отримують при спалюванні вугілля на Зміївській ДРЕС на властивості та якість покриттів. Показано, що при використанні плавленого флюсу АН-348А та домішок зольних відходів відзначається подрібнення зерна, а частка пор і неметалевих включень не перевищують показників вихідних покриттів. В місці сплавлення основи з покриттям не спостерігали ніяких дефектів.

Одержані рівняння регресії та побудовані поверхні відгуку. Дослідженнями встановлено, що при введенні у флюс 5 - 7% зольної добавки забезпечується максимальна мікротвердість Н-50 - 427 - 438 покриттів, а також достатнє зчеплення покриття з основою - 330 - 390 МПа, твердість такого покриття досягає 44 - 46 HRC (рис. 3), що на 18 - 23% більше ніж при використанні флюсу АН-348А без добавки.

При введенні 5 - 7 % зольних відходів розмір дендритів, а відповідно і зерна, зменшується в 1,4 - 1,5 рази (рис. 4). Ці ефекти досягаються за рахунок легування покриття малими домішками титану, ванадію та алюмінію. Вагомий вплив вносять і модифікуючі елементи: церій і магній, які знижують вміст шкідливих елементів та неметалевих включень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порівняльним аналізом встановлено, що з добавкою 5 - 7% зольних відходів у флюс зростає частка мартенситної складової порівняно із традиційною технологією нанесення покриття (рис. 5).

П'ятий розділ присвячено дослідженню хімічної неоднорідності й розподілу елементів у покритті та перехідному шарі.

Вивчали характер розподілу елементів по глибині покриття, а також перехідної зони. Оцінка розподілу елементів у перехідному шарі важлива для визначення міцності зчеплення покриття з основним металом.

На підставі дослідження встановлено, що при внесенні 5 - 7 % зольних відходів у флюс концентрація хрому, марганцю та кремнію практично не змінюється в порівнянні з вихідним покриттям. З'являються титан, ванадій та церій за рахунок їхньої наявності в зольних відходах. Зі збільшенням добавки зольних відходів у флюс з 5 - 7 % до 15 - 20 % спостерігається тенденція підвищення концентрації цих елементів як у покритті, так і в перехідній зоні (табл. 2), але зі збільшенням долі золи у флюсі зростає схильність до пороутворення.

Таблиця 2

Розподіл елементів у різних зонах покриття (%)

На основі петрографічного і рентгеноструктурного аналізів, а також оптичної мікроскопії визначені особливості формування мікроструктури, а також сполук, які входять до складу зольних відходів. Це прості та складні сполуки, які істотно відрізняються температурою плавлення та забарвленням. Розглянуті реакції взаємодії цих сполук зольних відходів з рідким металом та процеси, які забезпечують десульфурацію, легування й відновлення окислів у зварювальній ванні.

Методом мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що розподіл по перерізу покриття хрому, марганцю й кремнію має менший розкид, ніж титану, ванадію і церію. Пояснюється це тим, що титан і ванадій утворюють карбіди й карбонітриди (рис. 6). А оскільки цих утворень небагато і вони дуже дрібні, то ймовірність влучення мікрозонда в ці зони при дослідженні невелика.

Кількість фосфору й сірки в покритті з долею у флюсі 5 - 7 % зольних відходів не перевищує 0,05 %. Зі збільшенням долі домішки до 15 % кількість сірки й фосфору зростає (до 0,136 % та 0,081 %), що негативно позначається насамперед на властивостях робочого та перехідного шарів.

Мікролегуючі та модифікуючі домішки, титану, ванадію, алюмінію, церію та магнію, що входять до складу зольних відходів, чинять комплексний вплив: мікролегуючий (створюють дисперсні включення карбонітридів ванадію й титана), модифікуючий та рафінуючий (подрібнюють зерно, знижують концентрацію шкідливих домішок сірки і фосфору та зменшують кількість пор).

На основі вивчення розподілу хімічних елементів по перерізу покриттів і перехідної зони, умов формування зміцнюючих фаз, процесів відновлення окислів і десульфурації, дефектності зформованої структури (пороутворення) рекомендується для підвищення експлуатаційних властивостей введення долі зольних відходів у флюс не більше 5 - 7 %.

Шостий розділ присвячено визначенню ефективності розроблених методів зміцнення й впровадженню розробок у виробництво.

Дослідження показали, що товщина зміцненого шару при деформаційному зміцненні не перевищувала 60 мкм. Цей метод зміцнення може бути рекомендований тільки для кінематичних (несилових) пар тертя, що працюють у режимі граничного, напіврідинного або рідинного тертя, тобто у випадках невеликого зносу поверхонь тертя. Для більшості деталей машин, що утворюють силові пари тертя, деформаційне зміцнення забезпечує зниження зношування головним чином у період припрацювання. У зв'язку з цим було прийнято рішення застосувати комплексний метод реновації деталей, який поєднує мікролегування наплавочної ванни з деформаційним зміцненням робочої поверхні покриття.

На основі виконаних експериментальних досліджень розроблені параметри технології реновації деталей, суть якої полягає у використанні методу нанесення покриттів електродуговим наплавленням дротом Нп-30ХГСА під шаром флюсу АН-348А (I = 160 - 180 А; U = 26 - 30 В; наплавочний дріт d = 1,6 мм; частота обертання деталі n = 2,5 - 3 хв^-1; крок наплавлення S = 3,2 - 4 мм/об; виліт дроту д = 16 - 19 мм; зміщення електрода 4 - 5 мм) з використанням 5 - 7 % домішки зольних відходів у флюс і послідуючого деформаційного зміцнення спеціальною механічною обробкою (інструментальний матеріал К11 типу «Кіборит»; передній кут г = ?40⁰; швидкість різання V = 1,6 - 1,8 м/с; подача S = 0,20 - 0,24 мм/об; глибина різання t = 0,35 - 0,4 мм) з наступним алмазним вигладжуванням (інструментальний матеріал ? алмаз синтетичний, типу АСБ; радіус робочої частини алмаза R = 2,5 мм; сила притиснення P = 220 - 240 Н; подача S = 0,03 - 0,05 мм/об; швидкість ковзання V = 1,45 - 1,65 м/с).

Такий спосіб нанесення й зміцнення покриттів забезпечує підвищення мікротвердості робочого шару з Н- 50 - 310 - 322 до Н- 50 - 736 - 749.

Зносостійкість покриттів оцінювали за характером періоду припрацювання та усталеного зношування. Порівняльними дослідженнями встановлено, що найкращу припрацьовуваність мають покриття, з домішкою 5 - 7 % зольних відходів (рис. 7), які піддавались послідуючому деформаційному зміцненню спеціальною механічною обробкою. При цьому розкид показників зношування не перевищував 8,27 %. Такі покриття характеризуються й мінімальним зношуванням у період усталеного процесу. Використання комплексної технології забезпечило підвищення зносостійкості покриттів в 2,0 - 2,1 рази.

Нова технологія нанесення покриттів з використанням зольних відходів захищена патентом України UA 13760.

Запропонована математична модель, яка дозволяє прогнозувати процес зношування, вона має вигляд y = a(1?e^-bt) + kt; де y - величина зношування, мг; a - величина зношування в період припрацьовування, г; b - параметр, що визначає інтенсивність зношування в період припрацьовування; t - наробіток на шляху тертя, м; k - параметр, що визначає інтенсивність процесу в період усталеного зношування, г/м.

Виконано оцінку довговічності покриттів, нанесених та зміцнених по різним технологіям.

Порівнювальну оцінку виконували згідно залежності: ; де: G - величина зношування, г/м за час роботи Т; a - величина зношування в період припрацювання г/м; k - величина інтенсивності зношування, г/м²; D - діаметр деталі, м; n - частота обертання під час випробувань, хв^-1.

Встановлено, що найкращі результати досягаються при нанесенні покриттів з домішкою 5 - 7 % зольних відходів у флюс та з наступним зміцненням поверхні спеціальною механічною обробкою.

Економічний ефект від впровадження розробленої технології нанесення та зміцнення покриттів для деталей класу «Стрижні круглі» в умовах ВАТ «Пересічанске РТП» становить 19,4тис.грн при обсязі впровадження 1100 валів. Очікуваний економічний ефект від впровадження всієї номенклатури таких деталей на цьому підприємстві складе 58,3 тис.грн на рік. Досягнутий ефект забезпечується за рахунок зниження поточних витрат і підвищення зносостійкості деталей у 2,0 - 2,1 рази.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Підвищення терміну служби деталей реновацією, як правило, забезпечують металургійними (легуванням і модифікуванням) або технологічними (деформаційне зміцнення) методами. Найбільш економічними й добре керованими в процесі виробництва та відновлення є методи легування робочих поверхонь. Тому є актуальними розробки, які спрямовані на пошук ефективних методів підвищення експлуатаційної стійкості деталей нанесенням покриттів з використанням легуючих зольних відходів теплових електростанцій, а також наступним деформаційним зміцненням спеціальною механічною обробкою.

2. Запропонована комплексна технологія реновації деталей. При нанесенні покриттів рекомендується вводити легуючі зольні відходи Зміївської ДРЕС у кількості 5 - 7% у флюс, після чого піддавати його деформаційному зміцненню спеціальною механічною обробкою. Як фінішну операцію запропоновано використання алмазного вигладжування.

3. Методом планування експерименту визначені оптимальні параметри нанесення покриттів: I = 160 - 180 А; V = 23 - 27 м/ч при додаванні у флюс зольних відходів 5 - 7 % із гранулами 0,5 - 3,0 мм. Менша концентрація такої домішки не чинить істотного впливу на структуру й властивості покриттів, а введення більше 10 % призводить до появи значної долі пор і неметалевих включень.

4. Введення в оптимальній кількості зольних відходів, які містять Al 12,7 - 14,2 %; Fe 19,3 - 20,0 %; Mg 1,9 - 2,0 %; Cu 0,6 - 1,0 %; Mn 0,45 - 0,6 %; Ti 1,2 - 1,5 %; V 1,2 - 1,7 %; Ce 3,9 - 4,4 %; P 0,02 - 0,03 %; S 0,02 - 0,04 %; і решта Si у флюс АН-348А при електродуговому наплавленні забезпечує подрібнення зерна в 1,4 - 1,5 рази та відсутність дефектів у покритті й перехідній зоні. При цьому мікротвердість покриття досягає Н-50 - 427 - 438, міцність зчеплення його з основним металом - 330 - 390 МПа, твердість покриття 44 - 46 HRC, що на 18 - 23 % вище показників, одержаних при використанні флюсу без домішок. Ефект досягається за рахунок легування титаном, ванадієм, алюмінієм, а також присадок, що модифікують (церію і магнію), які знижують кількість шкідливих домішок. Одержання покриттів із введенням зольних домішок у флюс захищено патентом України UA 13760.

5. При введенні оптимальної кількості зольних домішок у флюс при нанесенні покриттів концентрація Cr, Mn і Si практично не змінюється, дещо зростає концентрація Al, і Mg. У такому покритті методом спектрального та мікрорентгеноспектрального аналізів виявлені Ti, V і Ce.

6. Порівняльним аналізом встановлено, що з добавкою 5 - 7 % зольних відходів у флюс зростає частка мартенситної складової порівняно із традиційною технологією нанесення покриття. При введенні домішки золи більше 10 % суттєво змінюється структура покриття і у зоні термічного впливу від троосто-мартенситної до троосто-перлитної. Це пов'язано з тим, що зменшується теплопровідність флюсу і збільшується термін охолодження покриття.

7. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу оцінений розподіл компонентів по перерізу покриття і перехідної зони. Розподіл Cr, Mn і Si має стабільний характер. Розкид Ti, V, Al, Ce і Mg є більш істотним, що пов'язано з їхнім входженням у неметалеві включення. На основі петрографічного, рентгеноструктурного аналізів і оптичної мікроскопії визначені сполуки, які входять до складу зольних відходів. Розглянуті реакції їхньої взаємодії з рідким металом, що визначають процеси відновлення окислів, десульфурації та легування. Концентрація фосфору й сірки в покриттях з оптимальною домішкою золи не перевищує 0,05 %.

8. Додаткове деформаційне зміцнення покриттів здійснювали двома послідовними методами. На першому етапі спеціальною механічною обробкою (передній кут різця г = ?40⁰; швидкість різання V = 1,6 - 1,8 м/с; подача S = 0,20 - 0,24 мм/об; глибина різання t = 0,35 - 0,4 мм). На другому ? додатково алмазним вигладжуванням з параметрами обробки: радіус робочої частини алмаза R = 2,5 мм; сила притиснення P = 220 - 240 Н; подача S = 0,03 - 0,05 мм/об; швидкість ковзання V = 1,45 - 1,65 м/с. Експериментальними дослідженнями встановлено, що така комбінована обробка забезпечує створення безструктурного мартенситу («білих шарів»), що більше ніж в 2 рази підвищує мікротвердість тонкого робочого шару покриття.

9. Порівняльними дослідженнями встановлено, що найкраща припрацьовуваність досягається в покритті при введенні 5-7% зольних відходів у флюс із наступним їхнім зміцненням за технологією, яка рекомендується. Такі покриття забезпечують однорідне зношування робочої поверхні в процесі припрацьовування, а також відрізняються мінімальним зношуванням в усталеному періоді та підвищеною довговічністю. Використання комплексної технології реновації деталей забезпечило підвищення зносостійкості покриттів в 2,0 - 2,1 рази. Запропонована математична модель, яка дозволяє прогнозувати зношування покриттів у різні періоди випробувань.

10. Економічний ефект від впровадження запропонованої технології реновації деталей класу «Стрижні круглі» на ВАТ «Пересічанске РТП» склав 19,4 тис.грн на рік при обсязі впровадження 1100 валів. Досягнутий ефект одержаний за рахунок зниження поточних витрат і підвищення зносостійкості деталей. Очікуваний економічний ефект від розширення впровадження всієї номенклатури цього типу деталей складе 58,3 тис.грн на рік.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Определение зависимости макронеровностей поверхности от способа наплавки и их влияния на обработку / В.В. Коломиец, Р.В. Ридный, С.А. Клименко [и др.] // Вісник інженерної академії України. 2001. - № 3. С. 252 - 255. (Автор виконав дослідження з впливу способу наплавлення на величину макронерівностей).

2. Исследование относительной опорной длины профиля и оценка характера приработки деталей восстановленных наплавкой и обработанных точением / Коломиец В.В., Скобло Т.С., Власовец В.М, Ридный Р.В. // труды 7-й международной научно-технической конференции [«Физические и компьютерные технологии»], Харьков, 27 - 28 мая 2003 г. / - Х.: НПК «ФЭД», 2003. С. 121 - 123. (Автор виконав дослідження впливу характеру нерівностей на експлуатаційні властивості поверхонь деталей, відновлених нанесенням покриттів).

3. Влияние механической обработки на свойства поверхностного слоя наплавленных деталей / Коломиец В.В., Клименко С.А., Ридный Р.В., Путятина Л. И. // труды 8-й международной научно-технической конференции [«Физические и компьютерные технологии»], Харьков, 9 - 10 декабря 2003 г. / - Х.: НПК «ФЭД», 2003. С. 61 - 63. (За параметрами зміцненого шару автором виконана оптимізація значень переднього кута різця).

4. Ридный Р.В. Влияние геометрии инструмента на физико-механические характеристики поверхностного слоя при точении наплавленных деталей / Р.В. Ридный // Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. - 2004. - № 26. - С. 262 - 267.

5. К повышению износостойкости трущихся поверхностей деталей, восстановленных нанесением покрытий / Скобло Т.С., Коломиец В.В., Ридный Р.В. // труды 10-й международной научно-технической конференции [«Физические и компьютерные технологии»], Харьков, 28 - 30 сентября 2004 г. / - Х.: НПК «ФЭД», 2004. С. 120 - 122. (Автором показана недостатня ефективність деформаційного зміцнення, та необхідність додаткового зміцнення покриття мікролегуванням).

6. Ридный Р.В. Использование зольных отходов тепловых электростанций для микролегирования покрытий / Р.В. Ридный // Вісник ХНТУСГ [«Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні»]. 2005. - Вип. 40. - С. 240 - 244.

7. Упрочнение покрытий деталей микролегированием с использованием отходов ТЭС / Скобло Т.С., Власовец В.М., Ридный Р.В. // труды 11-й международной научно-технической конференции [«Физические и компьютерные технологии»], Харьков, 2 - 3 июня 2005 г. / - Х.: НПК «ФЭД», 2005. С. 176 - 180. (Автором виконано експериментальне дослідження залежності твердості покриття робочого шару від кількості добавки золи).

8. Ридный Р.В. Обоснование направления повышения работоспособности деталей с покрытиями / Р.В. Ридный // Вісник ХНТУСГ [«Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні»]. 2006. - Вип. 42. - С. 101 - 105.

9. Влияние режимов нанесения и доли зольных добавок во флюс на твёрдость покрытия / Скобло Т.С., Коломиец В.В., Ридный В.Ф., Ридный Р.В. // труды 13-й международной научно-технической конференции [«Физические и компьютерные технологии»], Харьков, 19 - 20 апреля 2007 г. / - Х.: НПК «ФЭД», 2007. С. 277 - 281. ( Визначені оптимальні параметри нанесення покриттів електродуговим наплавленням під шаром флюсу).

10. Оценка износостойкости покрытий, нанесенных под слоем флюса и подвергнутых деформационному упрочнению / Т.С. Скобло, Л.Г. Нетецкий, Р.В. Ридный [и др.] // Вісник ХНТУСГ [«Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні»]. 2008. - Вип. 68. - С. 3 - 7. (Автором досліджена зносостійкість покриттів).

11. Пат. 13760 Україна, МПК С23С 2/30. Флюс для нанесення покриття / Р.В. Рідний, Т.С. Скобло, В.В. Коломієць [та ін.] заявник і патентовласник Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка; заявл. 09.11.2005; опубл. 17.04.2006, Бюл. № 4.

АНОТАЦІЯ

Рідний Р.В. Реновація робочої поверхні деталей комплексним методом. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - «Матеріалознавство» - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, м. Харків, 2008.

У дисертації сформульоване та виконане нове вирішення проблеми реновації деталей, що полягає у підвищенні зносостійкості покриття, яке досягається комбінованим методом. На першому етапі при нанесенні покриттів проводили мікролегування зольними відходами Зміївської ДРЕС, а на другому зміцнювали деформаційною обробкою спеціальними різцями з надтвердих матеріалів, а на завершальній стадії використовували алмазне вигладжування.

За допомогою петрографічного та рентгеноструктурного аналізів оцінено хімічні елементи та сполуки, що входять до складу зольних відходів, які визначають процеси відновлення окислів, десульфурації й легування. З використанням спектрального й мікрорентгеноспектрального методів досліджена хімічна неоднорідність розподілу елементів у різних зонах по перерізу робочого шару. Рентгеноструктурний аналіз фазового складу покриття показав наявність ділянок карбідів та карбонитридів ванадію і титану.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що елементи (V, Ti, Al, Ce і Mg), які мікролегують та модифікують покриття забезпечують утворення дрібнозернистої структури та дисперсні виділення карбідів і карбонитридів. При деформаційному зміцненні покриття створюється безструктурний мартенсит - «білий шар».

Дослідження зносостійкості покриттів підтвердили ефективність розробленої технології. Запропонована математична модель для прогнозування зносостійкості у різні періоди експлуатації. Наведені результати виробничої апробації запропонованої технології реновації деталей та оцінено економічний ефект від її впровадження.

Ключові слова: реновація деталей, покриття, домішки зольних відходів, мікролегування, модифікування, деформаційне зміцнення, структура, твердість, зносостійкість.

Ридный Р.В. Реновация рабочей поверхности деталей комплексным методом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01- «Материаловедение» - Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, г. Харьков, 2008.

В диссертации сформулировано и выполнено новое решение проблемы реновации деталей, которое состоит в повышении их износостойкости путём нанесения покрытий. Решение этой задачи при невысоких материальных, трудовых и энергетических затратах достигнуто комплексным методом. На первом этапе при нанесении покрытий - микролегированием, за счёт добавления во флюс зольных отходов Змиевской ГРЭС. На втором - при механической обработке - деформационным упрочнением механической обработкой специальными резцами и в завершении - алмазным выглаживанием.

С использованием петрографического и рентгеноструктурного анализов определены химические элементы и соединения, входящие в состав зольных отходов. Рассмотрено их взаимодействие с жидким металлом, определяющее процессы восстановления окислов, десульфурации и легирования. С использованием спектрального и микрорентгеноспектрального методов исследована химическая неоднородность распределения элементов в различных зонах по сечению покрытия: в поверхностном и в рабочем слоях, в переходной зоне. Рентгеноструктурный анализ фазового состава покрытия показал наличие карбидов и карбонитридов ванадия и титана.

На основании экспериментальных исследований установлено, что повышение механических характеристик, способствующих необходимой износостойкости покрытия, обеспечивается, прежде всего, переходящими из зольных отходов микролегирующими и модифицирующими элементами (V, Ti, Al, Ce и Mg). Они обеспечивают образование мелкозернистой структуры и дисперсных выделений карбидов и карбонитридов. При последующей механической обработке специальными резцами из сверхтвёрдых материалов с большими отрицательными значениями переднего угла и завершающим алмазным выглаживанием (деформационным упрочнением) повышение свойств обеспечивается благодаря формированию в поверхностных слоях покрытия деформационного бесструктурного мартенсита («белого слоя»).

С использованием методов математического планирования эксперимента выполнены исследования по оптимизации параметров процесса нанесения покрытия и величине добавки зольных отходов Змиевской ГРЭС во флюс, режимов специальной механической упрочняющей обработки и алмазного выглаживания покрытий.

Проведенные исследования износостойкости покрытий подтвердили эффективность разработанной технологии. Предложена математическая модель для прогнозирования износостойкости при приработке и установившемся периоде.

На основе выполненных исследований разработаны параметры всех этапов комплексной технологии реновации деталей, внедрение которой обеспечило существенное повышение износостойкости покрытия при снижении материальных, трудовых и энергетических затрат. Приведены результаты производственной апробации предложенной технологии и оценён экономический эффект от её внедрения.

Ключевые слова: реновация деталей, покрытие, добавка зольных отходов, микролегирование, модифицирование, деформационное упрочнение, структура, твёрдость, износостойкость.

Ridnyi R.V. Renovation of details a working surface by a complex method.

- Manuscript.

Thesis for obtaining scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.02.01 - Material science. - Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2008.

The new decision of a problem renovation of details is formulated and is executed in the dissertation. The task consists in the increase of wear resistance of a covering which is reached by the complex method. At the first stage of drawing covering using microalloying by ashly wastes of thermal power stations is taking place. At the second stage the deformationous hardening by special cutters from superfirm materials is used. And of diamond burnishing is used.

By means of X-ray structure analyses the chemical elements and connections which are taking place in structure of ashly wastes and determining processes of restoration of oxides, desalphurization and alloying are determined. With the use spectral and micro X-ray spectral methods the chemical heterogeneity of distribution of elements in various zones on section of a covering is investigated. X-ray structure analyses of phase structure of a covering has shown presence of sites carbides and carbonitrides of vanadium and titanium.

On the basis of experimental researches it is established, that the elements (V, Ti, Al, Ce and Mg) provide formation (education) of finely granule structure and dispersionial precipitates carbides and carbonitrides. At deformationial hardening of a covering the unstructured martensite or «white layer».

The carried out researches of wear resistance of coverings have confirmed efficiency of the developed technology. The mathematical model for forecasting of wear resistance is offered at running-in and established period. The results of industrial approbation of the offered technology renovation of details are given and the economic benefit from her of introduction is appreciated.

The key words: renovation of details, a covering, ashly wastes, microalloying, modifying, deformationial hardening, structure, hardness, wear resistance.

Размещено на Allbest.ru