Повышение эффективности технологии восстановления деталей электроконтактной приваркой порошковых материалов

PAGE

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сайфуллин Р.Н.

Уфа - 2010

Работа выполнена на кафедре «Технология металлов и ремонт машин» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессорФархшатов Марс Нуруллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Адигамов Наиль Рашатович

доктор технических наук, профессор Пучин Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор Котин Александр Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Защита состоится «….» ………….. 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 259/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « … » ……………. 2010 г. и размещен на официальном сайте ВАК Минобрнауки России «….» ………….. 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент Мударисов С. Г.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основным условием эффективного использования любой техники является поддержание ее в постоянном работоспособном состоянии путем технически грамотного обслуживания и ремонта. При ремонте зачастую изношенные детали выбраковывают, что приводит к увеличению себестоимости ремонта, при этом восстановление изношенных деталей не только экономически целесообразно, но и жизненно необходимо, так как при этом максимально используется ранее произведенный металл, что позволяет экономить материальные и энергетические ресурсы, а также затраты труда, при этом необходимо подчеркнуть, что высокая экономическая эффективность достигается при восстановлении дорогостоящих деталей дорожно-строительной техники, грузовых автомобилей и сельскохозяйственных машин.

Среди многочисленных способов восстановления выделяется способ электроконтактной приварки (ЭКП). Данный способ обладает высокой производительностью процесса, отсутствием нагрева и деформации детали, малой глубиной зоны термического влияния, закалкой покрытия непосредственно в процессе приварки и экологичностью процесса. Несмотря на давнюю известность способа, возможности его далеко не исчерпаны, особенно при использовании в качестве присадочного материала металлических порошков, которые позволяют формировать требуемую структуру привариваемого материала, и тем самым, сделать управляемым процесс получения заданных физико-механических свойств наносимого покрытия. Однако использование порошковых материалов при ЭКП имеет ряд трудностей. В первую очередь, это потери дорогостоящего порошка при приварке, регулирование толщины покрытия в зависимости от величины износа, трудности использования смеси порошков, обеспечение высокой прочности сцепления трудносвариваемых порошков. Остаются малоизученными вопросы контактной прочности покрытий и сопротивления усталости деталей, восстановленных ЭКП порошковых материалов. Кроме того, остается не изученным вопрос влияния магнитного поля ЭКП на ферромагнитные частицы порошка, решение которого позволило бы уменьшить потери порошка путем расчета оптимального положения сопла выходного канала бункера-дозатора.

В связи с этим весьма актуальным является обеспечение высокой технологичности процесса ЭКП порошковых материалов и улучшение эксплуатационных показателей восстановленных деталей на основе научно обоснованных ресурсосберегающих технологий, материалов и устройств.

Цель работы. Повышение эффективности технологии и качественных показателей восстановленных деталей путем развития теоретических основ электроконтактной приварки порошковых присадочных материалов и совершенствования технологического процесса.

Объект исследования. Технология и оборудование для восстановления изношенных деталей электроконтактной приваркой порошковых материалов.

Предмет исследования. Новые способы электроконтактной приварки порошковых материалов, позволяющие повысить эффективность технологии и качественные показатели восстановленных деталей.

Научную новизну исследований составляют:

- методика определения зоны спекания, позволяющая назначать режимы формирования армированных спеченных лент методом электроконтактной прокатки;

- модель термического цикла в полимерной частице, позволяющая прогнозировать состояние связующего полимера при ЭКП;

- аналитические выражения для расчета магнитного поля проводника сложной формы, используемые для расчета магнитной силы притяжения ферромагнитной частицы порошка при ЭКП;

- модель уплотнения порошкового материала при ЭКП армированных порошковополимерных и спеченных лент, устанавливающая связь между плотностью покрытия и параметрами армирующей сетки;

- зависимость качественных показателей восстановленной детали (прочность сцепления, контактная прочность, износостойкость, ударная вязкость, сопротивление усталости) от состава порошкового материала и вида присадочного материала.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование влияния магнитного поля электроконтактной приварки на ферромагнитные частицы порошка.

2. Оценка закономерности распределения плотности порошкового покрытия в зависимости от параметров армирующей сетки порошковополимерных и спеченных лент.

3. Теоретическое обоснование и экспериментальная оценка процесса изготовления армированных спеченных и порошковополимерных лент и качественных показателей восстановленных деталей.

4. Техническое обоснование устройств, новых способов ЭКП и составов порошковых композиций, повышающих качественные показатели восстановленных деталей.

5. Технологическое обоснование режимов ЭКП порошковых материалов, позволяющие формировать в покрытиях заданные свойства при восстановлении деталей в производственных условиях.

Практическая значимость и реализация результатов исследования.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы на 2008…2013 г.г. «Разработка технологии восстановления и упрочнения изношенных деталей машин», зарегистрированной Всероссийским научно-техническим информационным центром под номером 0120.0 950313.

Практическую ценность представляют:

- новые способы ЭКП порошковых материалов (патенты 2307010, 2312746, 2322333, 2367548, 2361706);

- оборудование и технологическая оснастка для изготовления армированных порошковополимерных, одно- и двухслойных спеченных лент;

- способы и средства для повышения прочности сцепления порошкового покрытия с основным металлом (патенты 2315684, 2361707);

- новые устройства и технологическая оснастка для ЭКП порошковых материалов (патенты 2299795, 69441, 68945, 75737, 75600, 2342237, 2340432, 2340433, 2342233, 2343053, 2342234, 2341360);

- новые связующие материалы, улучшающие технологичность порошковых материалов при ЭКП (патенты 2350447, 2360776);

- технологические рекомендации по ЭКП порошковых материалов для восстановления изношенных деталей в зависимости от величины износа и вида трения.

Оборудование и разработанные технологии внедрены на предприятиях Республики Башкортостан: в ОАО «Прогресс» Альшеевского района; в Чишминской райсельхозтехнике; в Илишевском РТП; в автотранспортном предприятии АТБ № 1 г. Уфы; в ООО Регион-Уфа; в ГУСП МТС «Башкирская»; в ООО «Ремтехсервис» Стерлибашевского района; в ООО «Ресурсэнерго» Стерлитамакского района; на научно-производственном участке кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», а также в других регионах: в МП треста «Электротранспорт» г. Магнитогорска; в ООО «Ресурс», г. Саранска. Разработанные рекомендации по технологии ремонта агрегатов сельскохозяйственной техники с использованием методов электроконтактной приварки порошковых материалов внедрены в учебный процесс 17 ВУЗов и рекомендованы министерствами сельского хозяйства Республики Башкортостан, Марий Эл, Мордовии, Оренбургской и Ульяновской областей к внедрению в организациях АПК.

Апробация. Основные результаты исследований доложены:

- на международных конференциях: «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г. Саранск, 2001 г.); «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (г. Уфа, 2002 г.); «Современные материалы и технологии» (г. Пенза, 2002 г.); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (г. Уфа, 2003 г.); «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2004 г.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2005 г.); «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2008 г.); «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2002, 2009 гг.); «Развитие АПК России в системе развивающихся межотраслевых и международных отношений» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

- на Всероссийских конференциях и семинарах: «Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей» (г. Москва, 1999 г.); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2003 г.); «Пути повышения эффективности функционирования механических и энергетических систем в АПК» (г. Саранск, 2003 г.); «Сварка, Контроль, Реновация» (г. Уфа, 2004, 2008 гг.); «Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса» (г. Уфа, 2005 г.); «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (г. Уфа, 2006 г.); «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения» (г. Уфа, 2008 г.).

Технологии и установки экспонировались на международных специализированных выставках Агро-2002, АгроКомплекс-2005, Агрокопмлекс-2010 (г. Уфа), Золотая осень-2009 (г. Москва) где были удостоены дипломами.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 112 печатных работах, в том числе в одной монографии и 40 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК; получено 25 патентов, 1 положительное решение на выдачу патента и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 359 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы, 237 рисунков. Список литературы включает 234 наименования.

Автор выражает искреннюю признательность профессору Левину Э.Л. за оказанную помощь и ценные замечания в подготовке данной работы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная и практическая значимость, показаны перспективы совершенствования технологических процессов электроконтактной приварки порошковых материалов, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе «Перспективы восстановления деталей машин в современных условиях» показана эффективность восстановления изношенных деталей путем нанесения слоя металлопокрытия, приведен опыт восстановления деталей в промышленно развитых странах.

Существенный вклад в развитие теоретических основ и прогрессивных технологий ЭКП присадочных материалов внесли Н.Н. Дорожкин, А.В. Поляченко, Ю.С. Тарасов, Э.С. Каракозов, Ю.В. Клименко, В.К. Ярошевич, В.П. Лялякин, Н.И. Черновол, Э.Л. Левин, Р.А. Латыпов, Б.А. Молчанов, М.Н. Фархшатов, Д.В. Амелин, Е.В. Рыморов и др. Однако в известных исследованиях не затрагиваются вопросы комплексного решения существующих трудностей ЭКП порошковых материалов, поэтому анализ исследований, посвященных вопросам повышения эффективности технологии восстановления деталей ЭКП порошковых материалов, позволил выдвинуть гипотезу о том, что формирование качественного порошкового покрытия с минимальными потерями материала и регулированием толщины покрытия возможно не только изменением технологических и конструктивных параметров электроконтактной приварки, но и с учетом состава и вида порошкового присадочного материала и степени влияния магнитного поля электроконтактной приварки на частицы порошка.

В результате проведенного анализа сформулированы и определены основные задачи исследования:

1. Проанализировать условия работы деталей машин, методы ЭКП порошковых материалов и обосновать новые составы порошковых композиций и способы их ЭКП.

2. Теоретически обосновать условия получения присадочных порошковых материалов в виде спеченных и порошковополимерных лент, описать влияние магнитного поля ЭКП на частицы ферромагнитного порошка и разработать математическую модель уплотнения при ЭКП порошка, сформированного на металлической сетке.

3. Разработать технологию и технологическое оборудование для изготовления и электроконтактной приварки присадочных порошковых материалов.

4. Исследовать влияние вида присадочного материала, состава порошков и режима электроконтактной приварки на структуру, износостойкость, прочность сцепления, сопротивление усталости и контактную прочность деталей восстановленных ЭКП.

5. Разработать технологические рекомендации по ЭКП порошковых материалов, оценить технико-экономическую эффективность новых технологий и внедрить их в производство.

Во второй главе «Теоретические основы проектирования технологических процессов восстановления деталей электроконтактной приваркой порошковых материалов» рассмотрены теоретические аспекты изготовления армированных спеченных и порошковополимерных лент, проволоки с напеченным слоем порошка, подробно описаны процессы влияния магнитного поля ЭКП на ферромагнитные частицы и особенности ЭКП порошка сформированного на металлической сетке.

Армированные спеченные и порошковополимерные ленты (рисунок 1) изготавливались методом прокатки (рисунки 2, 3).

Рисунок 2 - Схема и установка для получения спеченных лент методом электропрокатки: 1- бункер; 2- металлическая сетка; 3- разделительные пластины; 4- валки; 5- спеченная лента; 6- трансформатор; 7- контактор; 8- регулятор циклов сварки.

Рисунок 3 - Схема и установка для получения порошковополимерных лент прокаткой:

1- валки; 2- бункер; 3- порошковая композиция со связующим компонентом; 4- металлическая сетка; 5- электронагреватель; 6- порошковополимерная лента (патент 2322333).

Технологическими режимами формирования армированной спеченной ленты являются: сила тока (I), время импульса (tи) и паузы (tп), частота вращения валков (nэп). I и tи обуславливают температуру в зоне спекания и поэтому определялись экспериментально для каждой марки порошка. tп и nэп обуславливают перекрытие зон спекания и производительность процесса. Для определения nэп используем формулу:

, [мин-1]

где сп- зона спекания ленты, рад.

Для определения сп термическим методом выведена формула:

, [рад]

При расчете сп по изменению плотности выведена формула:

, [рад]

где - параметр, учитывающий зависимость нормальных контактных напряжений от температуры при прокатке; т0 - предел текучести материала порошка в холодном состоянии, МПа; max - максимальное нормальное контактное напряжение при прокатке металлических порошков, МПа; Т - текущая температура, 0С; Тпл - температура плавления материала порошка, 0С; hл- толщина ленты, мм; f - коэффициент внешнего трения исследуемого порошка; - угол внешнего трения, рад; р - угол прокатки порошка, рад; - нейтральный угол, рад; R - радиус валков, мм; hв - зазор между валками, мм; с - плотность спеченной ленты, кг/мм3; н - насыпная плотность порошка, кг/мм3; с - угол упругого сжатия валков, который характеризует увеличение зоны деформации при прокатке порошка, рад.

Выражение (3) решаем, используя метод итераций, с помощью программы «Mathcad». Для практических расчетов лучше использовать формулу (3), так как при этом можно использовать точные исходные параметры для расчета (при частном случае электропрокатки, например, порошка ПЖР3.200.28 значение nэп=5,5 мин-1).

Технологическими режимами формирования армированной порошковополимерной ленты являются: температура валков (Тв) и частота их вращения (nп). Тв определялась температурой деструкции связующего полимера. Для расчета nп выведена формула:

, [мин-1]

где с1, 1, 1, c2, 2, 2, - соответственно теплоемкость, плотность и теплопроводность смеси до и после прокатки, Дж/кгК, кг/м3, Вт/мК; h - половина толщины порошковополимерной ленты, м; R - радиус валков, м.

Минимальная частота вращения валков nп при использовании в качестве связующего полимера поливинилбутираля составляет 1,4 мин-1.

При ЭКП порошковополимерных лент температуру внутри частицы связующего полимера можно оценить путем решения дифференциального уравнения теплопроводности (при условии, что температура среды линейная функция времени):

Где

,

F0 = atи/R2 - число Фурье; Рd = bR2/aT0 - критерий Предводителева; Rч, rч - радиус полимерной частицы соответственно до и после приварки, м; а- температуропроводность, м2/с; b- коэффициент, определяемый максимальной температурой в зоне ЭКП; Т0- начальная температура, 0С.

Выяснилось, что если максимальная температура в зоне контакта будет не более 800 С и продолжительность импульсов тока составит 0,02 с, то после приварки порошкового слоя со связующим полимером из поливинилхлорида могут сохраниться частицы полимера, имеющие первоначальный диаметр не менее 0,28 мм, причем после ЭКП диаметр этих частиц не превысит одной трети от первоначального. Однако данные режимы не обеспечивают качественной приварки и при ЭКП на более жестких режимах весь связующий полимер выгорает. Исследование же более термостойких полимеров не являлось целью данной работы, но может служить основой для самостоятельного исследования.

Одной из нерешенных задач ЭКП порошков является оценка влияния магнитного поля ЭКП на ферромагнитные порошки типа ПЖ, сормайт, ФБХ, ПГ-СР, ПР-НХСР и многие другие. Использование ферромагнитных порошков необходимо для многих способов ЭКП (рисунок 6). Решение данной задачи позволит снизить потери порошка при ЭКП путем определения оптимального положения сопла выходного канала бункера-дозатора.

Для описания поведения ферромагнитной частицы порошка при электроконтактной приварке необходимо определить действующие на нее силы (рисунок 4). На частицу порошка (точка А) действуют: сила тяжести Fт, магнитная сила притяжения со стороны роликового электрода Fр, магнитная сила притяжения со стороны детали Fд. Известно, что магнитная сила притяжения, действующая на элемент площади ферромагнитного тела dS в однородном магнитном поле с индукцией в зазоре В равна

где 0 = 410-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Вычислив проекции сил Fт, Fр, Fд на оси х и у находим равнодействующую силу F, равную

, [Н]

При этом необходимо, чтобы равнодействующая всех сил была направлена в зону приварки ферромагнитного порошка (точку О1).

Для вычисления всех сил необходимо определить магнитную индукцию в точке А, создаваемую проходящим сварочным током.

Если за расчетную площадь ферромагнитной частицы принять ее поперечное сечение, то магнитную силу, действующую на частицу со стороны роликового электрода, можно представить в виде (при условии использования сферических частиц):

где a - абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой определяется индукция; U- напряжение между точкой О1 и центром роликового электрода, В; - удельная электрическая проводимость, См/м; а - радиус контакта в точке О1, м; bр- ширина роликового электрода, м; d1 - диаметр частицы, м; R- радиус роликового электрода, м; а1, а2- координаты рассматриваемой частицы (точка А), м.

Со стороны детали на ферромагнитную частицу порошка также влияет проходящий по детали ток. Магнитную силу, действующую на частицу со стороны детали, можно представить в виде:



где bд- толщина рассматриваемого слоя в детали, м; Rд- радиус детали, м.

Выразим равнодействующую всех сил, действующих на ферромагнитную частицу порошка (рисунок 4).

Направление равнодействующей выразим через угол :

Как видно по формулам (8) и (9) расчет магнитной силы притяжения достаточно трудоемкий, поэтому для их расчета составлена программа для ЭВМ (свидетельство № 2008612611).

Зависимость равнодействующей силы притяжения F от расстояния до зоны приварки приведена на рисунке 5, при следующих постоянных: U=0,2 B, d1=0,0002, a2=R=0,15 м - для ролика, a2=Rд=0,015 м - для детали.

Используя за параметр оптимизации равнодействующую силу, направленную в зону приварки, можно рассчитать рациональное положение сопла выходного канала бункера-дозатора (координаты а1 и а2), при котором достигаются минимальные потери порошкового материала. В нашем случае при использовании ферромагнитных порошков в исходном состоянии потери снизились на 25…40%.

Для ЭКП в работе использовались армированные порошковополимерные и спеченные ленты, способ приварки порошка, подаваемого на сетку, закрепленную на поверхности детали (патент № 2307010), а также способ приварки порошка, предварительно заформованного в сетку (рисунок 7). В данных случаях использовалась металлическая сетка, в ячейках которой находится порошок, и при ЭКП влияние параметров сетки на распределение плотности по толщине покрытия оценивалась по формуле:

, [кг/м3]

где - высота проволоки сетки после приварки, м; 0- плотность порошка до приварки, кг/м3; d- диаметр проволоки сетки, м; а- расстояние между центрами проволоки сетки, м; h0- рассматриваемая высота порошкового слоя до приварки, м.

При ЭКП проволоки с напеченным слоем порошка (рисунок 1-в) плотность приваренного порошка оценивалась по формуле:

, [кг/м3]

где - масса использованного порошка, кг; кп- коэффициент потерь; D- диаметр детали, м; L- длина металлопокрытия, м; hс- толщина металлопокрытия, м; Lпр- длина проволоки, м; d- диаметр проволоки, м.

Используя формулы (12) и (13) можно прогнозировать распределение плотности порошкового покрытия в зависимости от параметров армирующей сетки или проволоки с напеченным слоем порошка.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» представлены программа и методики исследования.

Технологические свойства порошковых материалов (текучесть, коэффициенты внешнего и внутреннего трения) определялись по стандартным методикам; технологические свойства спеченных и порошковополимерных лент (прочность, гибкость, электропроводность) в зависимости от режимов формирования и состава определяли по частным методикам.

При определении оптимальных режимов ЭКП действующее значение сварочного тока измеряли с помощью измерителя сварочного тока АСУ-1М. Продолжительность импульса тока и продолжительность пауз определяли по регулятору времени РВИ-501. Давление роликовых электродов на присадочный материал измеряли по манометру установки ЭКП.

Испытания приваренных покрытий на прочность сцепления с основой проводили методом среза на прессе типа П-125 (ГОСТ-8905-73).

Микротвердость покрытий измерялась на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,981 Н.

Исследования макро- и микроструктуры велось с использованием микроскопов МБС-9, ММР-2Р. Трещинообразование определялось магнитнопорошковым способом с переносом картины трещин на клейкую ленту. Открытая пористость покрытий из порошковых материалов определялась обработкой фотографий микроструктур на ЭВМ с использованием программы Image.Pro.

Измерение остаточных напряжений в поверхностном слое проводили методом пенетрации, где в качестве измерительной системы использована электронная спекл-интерферометрия (совместно с Челябинским ГАУ).

Ударная вязкость образцов с покрытием определялась на цилиндрических образцах с надрезом U типа на маятниковом копре КМ-30.

Усталостные испытания проводились на машине типа У20 по методике в соответствии с ГОСТ 2860-85.

Триботехнические испытания проводились на серийной установке СМЦ-2 по разработанной нами методике с учетом требований ГОСТ 23.224.84 и ГОСТ 27860-88. Для оценки характера изнашивания порошкового покрытия производилось профилографирование поверхности с помощью профилометра-профилографа Абрис ПМ-7.2.

Контактную прочность покрытий определяли методом обкатки приваренного слоя стальными закаленными роликами. За сравнительный критерий контактной прочности принималось время от начала обкатки до появления визуально видимых участков разрушения (питтинга) покрытия или других дефектов.

В четвертой главе «Способы электроконтактной приварки порошков» представлены порошковые материалы и их композиции, обеспечивающие получение заданных свойств покрытия, дан подробный анализ существующих и предлагаемых способов электроконтактной приварки порошковых материалов, приведены разработанные устройства для модернизации установок электроконтактной приварки. При восстановлении деталей с небольшими износами целесообразно использовать ферромагнитные порошки, втягивающиеся в зону приварки магнитным полем, образованным проходящим электрическим током (рисунок 6). В схеме а) запирание порошка в период паузы между импульсами тока происходит механически за счет сжатия пружины 6, а в период импульса тока электромагнит 5, подключенный параллельно вторичной обмотке сварочного трансформатора 4 открывает клапан 7. В схеме б) запирание ферромагнитного порошка происходит за счет магнитного поля от электромагнита 5, а реле 10 служит для согласованной работы электромагнита в период паузы и импульса тока. В схеме в) для подачи большего количества ферромагнитного порошка установлены дополнительные электромагниты 5 по бокам роликового электрода 2, при этом действующая на ферромагнитную частицу равнодействующая сила от всех источников магнетизма и силы тяжести направлена в зону электроконтактной приварки. На схеме г) весь неприваренный порошок втягивается вакуум-насосом с фильтром. На схеме д) для подачи порошка к месту приварки используется воздух под незначительным давлением, а защитный воздух предотвращает смывание порошка охлаждающей водой. На схеме е) ферромагнитный порошок притягивается к роликовому электроду и подается к месту приварки самим роликовым электродом.

Приведенные схемы ЭКП направлены на экономию порошка, регулирование толщины покрытия и предотвращение смывания порошка охлаждающей жидкостью.

Приведенные на рисунке 6 схемы ЭКП подразумевают использование ферромагнитных порошков, при использовании же неферромагнитных порошков можно формировать их в порошковополимерные или спеченные ленты, напекать порошок на стальную проволоку, а также использовать способы приварки, приведенные на рисунках 7, 8 и в патенте № 2307010.



Рисунок 6 - Схемы подачи ферромагнитных порошков: 1- деталь; 2- роликовый электрод; 3- бункер; 4- сварочный трансформатор; 5- электромагнит; 6-пружина; 7- клапан; 8- источник тока; 9- переменный резистор; 10- реле; 11- вакуум-насос с фильтром.

На рисунке 7 на поверхность детали 1 путем ЭКП в нескольких точках приваривают металлическую сетку 2. Из бункера 3 порошок 4 подается на металлическую сетку 2 под прессующий ролик 5, который уплотняет размещенный на металлической сетке порошок и запрессовывает его в ячейки. Осыпавшийся с детали ненапрессованный порошок собирается в поддон 6. Запрессованный в металлическую сетку порошок поступает под роликовый электрод 7, где под действием импульсов сварочного тока от источника 8 приваривается к детали с образованием покрытия 9. Уплотнение покрытия перед приваркой стабилизирует его электрическое сопротивление, уменьшает пористость покрытия, создает равномерную плотность по ширине ролика, что позволяет снизить необходимое давление на роликовый электрод на 10…20 %, уменьшить выдавливание металла из-под роликового электрода и в результате получить покрытие более высокого качества.

Толщина покрытия регулируется толщиной используемой металлической сетки. Охлаждающая жидкость не смывает порошок во время ЭКП, что позволяет одновременно закаливать покрытие. ЭКП порошка ПГ-С1 проводилась на следующих режимах: сварочный ток - 8…9 кА, усилие прессующего ролика - 3,5 кН, роликового электрода - 2,9 кН, скорость приварки - 0,01 м/с, ширина прессующего ролика - 6 мм, роликового электрода - 5 мм, размер ячейки сетки - 22 мм, толщина сетки - 1,5 мм. После приварки получали слой толщиной - 1,2…1,4 мм с плотностью покрытия 94…96%. Прочность сцепления с основой достигает 200 МПа, твердость покрытия до 55 HRC. Для лучшей фиксации порошка в ячейках сетки порошок смешивали с раствором канифоли, который кроме прочего улучшает прочность сцепления покрытия с основным металлом детали.

На рисунке 8 приведена схема ЭКП паст. Технология ЭКП паст заключается в тщательном перемешивании порошковой смеси со связующим (в качестве связующих могут использоваться глицерин, водный раствор казеинового клея, желеобразный флюс ПБК-216М, стеклоэмали, акриловые смолы и водорастворимый метакрилат и др. Как правило, с помощью паст удается получать лишь очень тонкие покрытия (при использовании пластичных паст) - обычно в пределах до 0,3 мм.

В пятой главе «Исследование технологических свойств присадочных порошковых материалов, структуры и свойств порошковых покрытий» приведены результаты экспериментальных исследований по определению физико-механических и эксплуатационных свойств порошковых присадочных материалов и покрытий, полученных ЭКП.

Исследовались технологические свойства, как самих порошков, так и сформированных порошковополимерных и спеченных лент. По признаку лучшей текучести необходимо использовать порошки с гранулометрическим составом 100…160 мкм (рисунок 9). Для спеченных лент наилучшими параметрами сетки и режима спекания являются следующие: диаметр проволоки сетки 0,65 мм, сторона ячейки в свету 1,4 мм, сила тока при спекании 6,8…7,2 кА, время импульса тока 0,12 с, время паузы 0,1 с. При данных параметрах армированная спеченная лента будет иметь прочность 26…28 МПа, а гибкость 10…15 мм (рисунок 10). За критерий гибкости принимали наименьший диаметр цилиндра, при котором образец разрушался. Несоблюдение режимов электропрокатки ведет к выкрашиванию или оплавлению армированных спеченных лент.

Рисунок 10 - Зависимость а)- прочности и б)- гибкости армированной спеченной ленты от режимов спекания.

Наилучшими по технологическим свойствам (прочности и гибкости) порошковополимерными лентами являлись ленты со связующим из поливинилбутираля (рисунок 11).

Одной проблем ЭКП порошковых материалов является потери порошка. При приварке порошка марки ПД-ЖН4Д2М(Н) к поверхности детали 45 мм из стали 45 на установке с вертикальным расположением роликовых электродов получено, что радиус закругления рабочей поверхности роликового электрода влияет на формирование порошкового покрытия при ЭКП следующим образом: с увеличением радиуса закругления масса приваренного порошка незначительно увеличивается; толщина покрытия практически не изменяется в зависимости от радиуса закругления; потери порошка минимальны при радиусе закругления 7…9 мм.

Влияние режимов ЭКП на прочность сцепления как порошковых, так и компактных присадочных материалов изучалось достаточно широко. Можно только подтвердить, что как с увеличением силы тока, так и с увеличением продолжительности импульса тока прочность сцепления возрастает. Однако, влияние состава порошковых композиций на прочность сцепления изучено недостаточно. Так, добавки в композицию порошков антифрикционного назначения (меди и олова) снижают прочность сцепления (рисунок 12).

Таблица 1 - Прочность сцепления порошковых покрытий с различными неметаллическими компонентами

Компоненты	Раствор поливинилбутираля	Раствор желатина	Раствор канифоли	Раствор борной кислоты	Борная кислота (порошок)	Глицерин	Железный порошок (без компонентов)
№ компонента	1	2	3	4	5	6	7
Прочность сцепления, МПа	204	142	231	215	238	184	152

Некоторые из опробованных способов ЭКП порошковых материалов подразумевают наличие связующих или смачивающих веществ для порошка. В качестве связующих могут использоваться различные полимерные и клеящиеся вещества, обеспечивающие образование слоя на поверхности детали для последующей ЭКП. Их влияние на прочность сцепления приведено в таблице 1. В качестве металлического компонента использовался железный порошок марки ПЖР3.200.28.

Разница среднеарифметических значений не наблюдалась между значениями компонентов: 3-4-5, 1-4, 2-7. По результатам экспериментов видно, что при приварке чистого железного порошка (без компонентов) прочность сцепления меньше, чем при приварке большинства образцов с дополнительными компонентами. Это можно объяснить повышенным электросопротивлением последних за счет неэлектропроводности растворов, и, как следствие этого, повышенной температурой в зоне приварки. Но с другой стороны, при электроконтактной приварке продукты горения органических растворов должны ухудшать как адгезионную, так и когезионную прочность приваренной шихты, что видно при применении раствора желатина. Использование поливинилбутираля обеспечивает хорошие связующие свойства и удовлетворительную прочность сцепления при ЭКП, но сдерживается экологическим фактором, так как при ЭКП происходит термическое разложение связующего полимера и его выгорание, при котором образуется сложная смесь ароматических углеводородов, альдегидов, непредельных углеводородов, фенолов и угарного газа. В целом, наилучшее влияние на прочность сцепления образцов оказывает борная кислота и канифоль, но для формирования слоя порошка на поверхности изношенной детали перспективно применение раствора канифоли, т.к. кроме улучшения прочности сцепления, он может использоваться одновременно и в качестве связующего для металлических порошков, так как обладает клейкими свойствами.



Рисунок 13 - Прочность сцепления покрытий, полученных ЭКП армированных спеченных и стальной лент.

При ЭКП армированных спеченных лент зависимость прочности сцепления от состава и режима приварки показана на рисунке 13, из которого видно, что ужесточение режима ЭКП (увеличение силы тока и продолжительности импульса, уменьшение паузы), несомненно, будет повышать прочность сцепления, однако по-разному для различных порошков: прочность сцепления покрытия из порошка ФБХ-6-2 увеличивается в 3,2 раза, а из порошка ПГС-27М в 2,6 раза.

Также по диаграмме можно сделать вывод, что использование подслоя из хорошо привариваемых порошков (например, ПЖР3.200.28 и ПГС-27М) оправдано только при применении в качестве верхнего слоя плохо свариваемых порошковых материалов, к которым можно отнести, кроме использованных ФБХ-6-2 и ПМС-Н, порошковые композиции, имеющие в своем составе порошки твердых сплавов и керамики. В целом, прочность сцепления порошковых покрытий выше прочности сцепления стальных лент при соизмеримых параметрах ЭКП.

Исследования остаточных напряжений показали, что после ЭКП на поверхности приваренного слоя и под ним образуются осевые и окружные растягивающие остаточные напряжения. Как видно из графиков на рисунке 14 благоприятные остаточные напряжения действуют в покрытиях из стальной проволоки, что объясняется термомеханическим воздействием роликового электрода на присадочный металл при его приварке. Наибольшие напряжения наблюдаются в покрытиях из стальной ленты и порошков достигающие соответственно 0,8 и 0,7 предела текучести материала покрытия, при этом в двухслойных порошковых покрытиях остаточные напряжения ниже - в пределах 0,55, что позволяет сделать заключение о преимуществе использования двухслойных лент с точки зрения напряженного состояния покрытия.

Отсюда можно ожидать соответствующее минимальное снижение сопротивления усталости образцов с покрытиями из стальной проволоки. Однако, проведенные эксперименты по сопротивлению усталости образцов с порошковыми и компактными покрытиями не дали такого соответствия. Как видно из таблицы 2, наименьшее снижение предела выносливости после ЭКП имеют образцы с порошковым покрытием, которые имеют достаточно большие остаточные напряжения (рисунок 14). Это можно объяснить меньшим воздействием термического цикла ЭКП на основной металл в результате более равномерного нагрева зоны соединения при приварке порошковых материалов, т.е. решающее значение на снижение предела выносливости образцов с покрытиями оказывают не остаточные напряжения, а структурные концентраторы напряжений в основном материале и вязкость покрытий. спекание армированный электроконтактный прокатка

Таблица 2 - Сопротивление усталости образцов

Образцы из стали 45	Значение предела выносливости, МПа
Закаленные с нагревом ТВЧ	540
В нормализованном состоянии	250
С покрытием из стальной ленты (сталь 45) с охлаждением	142
С покрытием из проволоки Нп-30ХГСА (с охлаждением)	136
С порошковым покрытием из ФБХ-6-2 (без охлаждения)	211
С порошковым покрытием из ФБХ-6-2 (с охлаждения)	192

Так, измерение микротвердости основного металла (сталь 45) после ЭКП стальной ленты и порошковых материалов показало меньший разброс (в 2,2 раза) значений микротвердости под порошковым покрытием (соответственно m= 224 и 102 МПа). При этом измерение твердости самих покрытий из стальной ленты и порошков не показало существенной разницы в разбросе значений. Колебания значений твердости покрытий из стальной ленты HRC 22…54, а из порошков ФБХ-6-2, ПГС-27М, ПГ-С1, ПР-Х11Г4СР, ПХ13М2 - HRC 20…58.

Данный разброс значений твердости поверхности покрытий объясняется технологией ЭКП, которая производится взаимно перекрывающимися точками и валиками по винтовой линии, и, в итоге, при повторном нагреве уже закаленного участка происходит отпуск металла (рисунок 15). Вследствие именно этого, поверхность деталей, восстановленных ЭКП присадочных материалов, характеризуется значительной структурной неоднородностью, проявляющейся в колебании значений твердости. Такая структурная неоднородность приводит, по нашему мнению, к значительному снижению сопротивления усталости восстановленных деталей, так как образуются структурные концентраторы напряжений.

Причинами разрушения восстановленных деталей (кроме снижения сопротивления усталости при восстановлении) может быть недостаточная вязкость покрытия для выдерживания действующих при эксплуатации динамических и циклических нагрузок. Результаты исследования ударной вязкости образцов с покрытием, полученным ЭКП стальной ленты и порошковых материалов, представлены на рисунке 16. Так как для исследования использовались цилиндрические образцы, что не соответствует ГОСТ 9454-78, то полученные значения ударной вязкости можно сравнивать только между собой. В качестве эталонного образца использовалась сталь 45 в состоянии поставки с надрезом U типа. Повышение силы тока при ЭКП снижает ударную вязкость образцов с покрытиями, что, по-видимому, связано с более глубоким термическим влиянием ЭКП на основной материал образца. Установлено, что ударная вязкость образцов со стальной лентой, приваренной на мягких режимах, на 10…14 Дж/см2 (25…32%) ниже, чем образцов с порошком ФБХ-6-2. Сравнение зон термического влияния у данных деталей не дает объяснения этой разницы, поэтому наиболее вероятным объяснением может быть более высокая ударная вязкость порошкового покрытия из ФБХ-6-2.

По сравнению с ударной вязкостью эталонного образца ЭКП присадочных материалов на данные образцы снижает ударную вязкость на 14…55%. Таким образом, результаты исследования ударной вязкости образцов также подтверждают предположение об решающем влиянии структурной неоднородности основного металла и вязкости покрытия на предел выносливости восстановленных деталей.

Рисунок 16 - Ударная вязкость образцов с покрытием, полученным ЭКП армированных спеченных и стальной лент.

Для снижения структурной неоднородности, как покрытия, так и зоны термического влияния основного металла предлагается следующее устройство (рисунок 17). Две бронзовые проволоки 1, устанавливаются в пазах подпружиненных усеченных прямоугольных бронзовых пирамид 2 и закрепляются в крайних из них. После сжатия электродных головок бронзовые проволоки 1 обхватывают деталь 3 и прижимаются пирамидами 2, усилие которых регулируется направляющими изолированными винтовыми стержнями 4. Далее подается сварочный ток от трансформатора 6 к медным полукольцам 5, контактирующим с пирамидами 2, который, проходя через цепь: бронзовая проволока 1 - деталь 3 - бронзовая проволока 1, разогревает деталь до необходимой температуры. Далее охлаждающая жидкость закаливает зону нагрева, открывающуюся при движении электродных головок вдоль оси детали 3. Необходимая величина тока и скорость охлаждения подбираются опытным путем в зависимости от диаметра детали и ее свойств. Электромеханическую обработку можно осуществлять на установках для восстановления изношенных деталей машин электроконтактной приваркой присадочных материалов моделей 011-1-02Н, 011-1-05, 011-1-06, 011-1-08, 011-1-11 и др. «Ремдеталь». Предлагаемое техническое решение позволяет получить однородную структуру поверхностного слоя и расширить область применения электроконтактных установок для восстановления изношенных деталей машин.

Результаты исследования износостойкости порошковых покрытий представлены на рисунке 18. Износ эталонного образца незначительно превышает износ покрытия из стальной стружки, что можно объяснить наличием пористости у последнего. Наименьшие износы наблюдались у покрытий, полученных ЭКП порошковых композиций: ПЖР3.200.28+Сормайт и ПЖР3.200.28+ВК8. Однако следует заметить, что износ контртела (колодочки из серого чугуна) не соответствует характеру износа сопряженного образца. Так, при работе с покрытием ПЖР3.200.28+ВК8 контртело имело катастрофический износ уже после 3 часов работы, после чего устанавливалась новая колодочка. Замечено, что при работе с порошковыми композициями, имеющими в своем составе твердые компоненты контртело изнашивалось более интенсивно, чем в сопряжении с однородными порошковыми покрытиями. Поэтому использование покрытий из порошковых композиций, содержащих в своем составе высокотвердые компоненты нецелесообразно в условиях трения скольжения и их лучше использовать при восстановлении или упрочнении рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Пористость порошковых покрытий и антифрикционные присадки значительно увеличивают время до начала схватывания. Так увеличение пористости с 3% до 7% и 12% повысило это время соответственно с 19 до 29 и 55 мин, а введение 10% порошка олова повысило это время в 2 раза. По результатам триботехнических испытаний можно выделить оптимальный состав порошковой композиции для антифрикционного покрытия: 80% (по массе) железного порошка (ПЖР3.200.28), 20% порошка меди (ПМС-Н), армирующая стальная сетка, 3% (от массы металлического порошка) связующего полимера (поливинилбутираля). По результатам триботехнических испытаний установлено, что использование при ЭКП армированных металлической сеткой порошковополимерных и спеченных лент способствует созданию регулярного рельефа поверхности покрытия, связанного с параметрами металлической сетки. В результате трения материал сетки с меньшей твердостью изнашивается более интенсивно по сравнению с твердым порошковым материалом и образующиеся при этом канавки способствуют удержанию дополнительного количества масла.

Восстановленные ЭКП присадочных материалов детали в основном предназначены для работы в условиях трения скольжения. Однако имеется достаточное количество изношенных деталей, поверхности которых испытывают трение качения (вторичные и первичные валы

Таблица 3 - Контактная прочность покрытий, полученных ЭКП

Вид покрытия	Сила тока, I, кА	Контактная прочность, мин.
эталон (закаленная до HRC58…61 сталь 45)	-	9,920,46
Лента из стали 45	4,5…4,7	0,140,03
	5,2…5,3	0,560,12
	6,2…6,4	1,330,26
Порошок ФБХ-6-2	4,1…4,4	3,120,25
	5,3….5,4	3,030,34
	6,3…6,4	3,360,50

КПП, крестовины карданов, валы обгонных муфт), исследование которых остается малоизученным. За сравнительный критерий показателя контактной прочности покрытия нами принималось значение времени от начала обкатки покрытия стальными закаленными роликами до появления видимых невооруженным глазом участков разрушения покрытия (питтинга). Контактная прочность всех покрытий с увеличением тока при ЭКП повышается, что, скорее всего, связано с лучшей сцепляемостью покрытия с основным металлом в данных условиях и, как следствие, с повышением сопротивления сдвиговым деформациям при обкатке покрытия роликами (таблица 3). Контактная прочность покрытий, полученных ЭКП как стальной ленты, так и порошков, намного (в 3…70 раз) ниже контактной прочности эталонного образца, а порошковое покрытие из ФБХ-6-2 имеет в 3…22 раза повышенную контактную прочность, чем покрытие из стальной ленты. Положительный опыт восстановления хвостовиков вторичных валов КПП, работающих в паре с игольчатым подшипником, дает заключение об эффективности ЭКП порошка ФБХ-6-2 на изношенные поверхности, испытывающие контактные нагрузки.

В шестой главе «Внедрение результатов исследований в производство и их технико-экономическая эффективность» освещены вопросы внедрения результатов исследований и дана оценка их эффективности. Результаты исследования показали, что для восстановления небольших износов (до 0,3 мм) таких деталей, как роторы турбокомпрессоров, золотники гидрораспределителей, электроклапанов и гидроусилителей, шестерни масляных насосов (опорные шейки), плунжерные пары, валы топливных насосов (опорные шейки), крестовины дифференциалов, пальцы поршней (рисунок 19-а) целесообразно использовать в качестве присадочного материала порошки в исходном состоянии марок ФБХ-6-2, ПГС-27М, ПГ-УС25, СМ-У20Х15Г20, ПР-Х11Г4СР, которые после электроконтактной приварки имеют твердость до HRC60, что наряду с наличием пористости, обеспечивает высокую износостойкость как восстановленной детали, так и сопряжения в целом. Для приварки данных порошков приемлем один из приведенных на рисунке 6 способов ЭКП. Режим ЭКП, например, для стальной детали 50 мм следующий: nэп=2…3 мин-1, Р=0,2 МПа, I=4…4,5 кА tимп=0,06 с., tп=0,06 с.

Для восстановления износов от 0,5 до 1,5 мм на таких деталях как коленчатые валы компрессоров, насосов, распределительные валы (опорные шейки), плунжеры насосов, оси катков, полуоси, тормозные кулаки (рисунок 19-б), целесообразно использовать в качестве присадочного материала для ЭКП армированные порошковополимерные и спеченные ленты (рисунок 1) или использовать способ, приведенный на рисунке 7. Кроме того, при восстановлении опорных шеек распределительных валов двигателей А-01М, ЗМЗ-402, работающих непосредственно с поверхностью отверстий в блок-картере (без втулки), предлагаются составы с антифрикционными порошками: 90% ПЖР3.200.28 + 5% ПМС-Н + 5% связующего (раствор канифоли) - патент № 2350447; 72% ПЖР3.200.28 + 20% ПМС-Н + 3% связующего (поливинилбутираль) + 5% борной кислоты - патент № 2360776. Режим ЭКП армированной спеченной ленты толщиной 1,5 мм, например, на стальную деталь 40 мм следующий: nэп=3…4 мин-1, Р=0,35 МПа, I=5,5…6 кА tимп=0,06 с., tп=0,08 с.

Для получения методом ЭКП коррозионностойких покрытий, например, при восстановлении деталей перерабатывающей отрасли (плунжеров, штоков) предлагаются следующие порошки: ПВ-Х18Н15, ПВ-Х30, ПВ-Х40Н60, ПВ-Х20Н80, ПВ-ХН28МДТ, сформированные в виде армированных спеченных лент.

Для восстановления внутренних и внешних посадочных неподвижных соединений валов КПП и стаканов подшипников (рисунок 19-в) подходят низкоуглеродистые железные порошки, например, ПЖР3.200.28, которые лучше наносить способом, приведенным на рисунке 8 на следующем режиме ЭКП: nэп=2…2,5 мин-1, Р=0,2 МПа, I=5,7…6 кА tимп=0,08 с., tп=0,08 с. (для 70 мм).

Для восстановления локальных участков (вершин кулачков и зубьев) для удержания порошковой массы лучше использовать связующий материал (раствор канифоли).

Для деталей машин испытывающих контактные нагрузки: хвостовики валов КПП, крестовины карданов, оси храповиков (рисунок 19-г) необходимо приваривать порошок ФБХ-6-2 способом, приведенным на рисунке 6 (схема е).

Эксплуатационные испытания показали, что детали, восстановленные по разработанным технологиям, успешно работают на сельскохозяйственных машинах и оборудовании перерабатывающих отраслей АПК. Разработанные технологические процессы внедрены на двенадцати ремонтно-технических предприятиях. Суммарный экономический эффект составил 2,3 млн. рублей при общей программе восстановления 4600 деталей в год.



Рисунок 19 - Примеры восстановленных деталей.

ВЫВОДЫ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для решения основных проблем, возникающих при ЭКП порошковых материалов (потери порошка, регулирование толщины покрытия, трудности использования смеси порошков), необходимо использовать в качестве присадочного материала армированные спеченные и порошковополимерные ленты и совершенствовать способы ЭКП, а для улучшения качественных показателей восстановленных деталей необходимо регулировать состав и вид порошкового присадочного материала.

...