автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение износостойкости покрытия почвообрабатывающих орудий путем электрофизической обработки исходного материала

На правах рукописи

Федоров Алексей Львович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОКРЫТИЯ

ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРУДИЙ ПУТЁМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА (НА ПРИМЕРЕ КУЛЬТИВАТОРНЫХ ЛАП)

Специальности 05 20 03 - «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве», 05.20.02 - «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2008

□ ОЗ

003168206

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И Вавилова»

Научный руководитель -

кандидат химических наук, доцент Чесноков Борис Павлович

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор Загородских Борис Павлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, доцент Истомин Сергей Викторович

доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

Ведущая организация -

ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический

институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИИТиН)

Защита состоится 30 мая 2008 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220 061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени НИ Вавилова» по адресу 410056, г Саратов, ул Советская, д 60, ауд 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им Н И Вавилова»

Автореферат диссертации разослан и размещён на сайте http //www seau ru/ «_2i|_» апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Современные требования научно-технического прогресса выдвигают перед учеными, занимающимися конструированием рабочих органов почвообрабатывающих машин, новые проблемы и задачи — создание материалов с заданными физико-химическими и механическими свойствами, обеспечивающими наибольшую износостойкость рабочих органов в эксплуатационных условиях В полной мере это относится к лапам культиваторов

Ввиду недостаточной эффективности существующих методов упрочнения материала лап культиваторов (закалка поверхности, лазерное упрочнение, введение легирующих элементов, использование высокоуглеродистых сталей и др ), а также в целях экономии высококачественного металла, их изготавливают из низкоуглеродистых сталей, и для обеспечения прочности и самозатачивания наплавляют твердыми сплавами, образующими биметаллическую рабочую часть В таком сочетании основной металл обеспечивает прочность, а наплавочный слой - абразивную износостойкость Известно, что наибольшую износостойкость рабочим органам обеспечивают покрытия на основе композиции порошков из сплавов для наплавки Между тем, практика эксплуатации таких композитов свидетельствует о необходимости получения более стойкого к абразивному износу покрытия (сплава), а методы, основанные на химическом модифицировании его сырьевых компонентов, себя исчерпали Изменить существующее положение возможно путем разработки прогрессивного электрофизического процесса, позволяющего управляемо влиять на характер кристаллизации структуры твердого сплава в процессе наплавки, что, в свою очередь, обуславливает использование для обработки его исходного материала ускорителя электронов

Работа выполнена по научному направлению 12 9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского региона до 2010 г» (№ гос регистрации 840005200), а также соответствует плану НИР ФГОУ ВПО «СГАУ им НИ Вавилова» по теме №6 - «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения АПК»

Цель работы - повышение износостойкости культиваторной лапы с биметаллической рабочей частью за счет обработки материала покрытия гамма-квантами

Объект исследования - порошковые компоненты из сплава для наплавки до и после облучения гамма-квантами и культиваторные лапы, изготовленные по известной и предлагаемой технологии

Предмет исследования - закономерность изменения свойств порошковых компонентов из сплава для наплавки в зависимости от режимов облучения гамма-квантами и их влияние на износостойкость покрытия рабочего органа

Методика исследований включала в себя лабораторный анализ физико-химических и механических свойств порошковых компонентов и покрытий из них, а также эксплуатационные испытания упрочненных полученными композитами культиваторных лап В процессе исследований использовались совре-

менные средства измерительной техники, в том числе компаратор СС 500, микроскоп Ахюр1ап 2, установка крутильного маятника и др

Научная новизна работы:

- для агропромышленного комплекса предлагается высокоэффективный наноэлектротехнологический процесс, позволяющий управлять свойствами твердого сплава, используемого для наплавки рабочих органов почвообрабатывающих машин,

- усовершенствована технология повышения износостойкости рабочего органа с биметаллической рабочей частью за счет обработки материала покрытия энергией гамма-квантов,

- предложена модель и даны аналитические зависимости для расчета и описания аллотропических превращений в порошковых компонентах из сплава для наплавки под действием энергии гамма-квантов,

- установлен оптимальный режим облучения гамма-квантами материала покрытия рабочего органа путем использования методов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и внутреннего трения,

- определено влияние энергии облучения гамма-квантами на изменение гранулометрического состава и повышение однородности материала покрытия, а также на формирование его структуры и микрохарактеристик при наплавке

Практическая ценность работы состоит в разработке нанотехнологичес-кого процесса обработки порошковых компонентов из сплава для наплавки, позволяющего повысить износостойкость как различных типов рабочих органов с биметаллической рабочей частью, так и других быстроизнашиваемых металлических поверхностей

Реализация научно-технических результатов. Культиваторные лапы с наплавкой кромок лезвий твердым сплавом, полученным по предлагаемой технологии, прошли опытную апробацию в эксплуатационных условиях в СХПК «Андреевский» Новобурасского района Саратовской области

По материалам настоящей работы подана заявка на изобретение (№2007134141/02(037298)) «Способ получения биметаллических покрытий почвообрабатывающих орудий» / Б П Чесноков, А Л Федоров и др

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях и семинарах на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ им Н.И. Вавилова (Саратов, 2005-2008 г г.), научном семинаре кафедры физики твердого тела КазНУ им аль-Фараби (Алматы, 2006 г), Международной научно-практической конференции, посвященной 100 летаю со дня рождения А Ф Ульянова (Саратов, 2005 г), Международной научно-практической конференции «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Москва, 2007 г)

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах общим объемом 1,7 п л, из которых на долю соискателя приходится 1,23 п л Одна работа опубликована в реферируемом издании, указанном в «Перечне ведущих журналов и изданий » ВАК Минобразования и науки РФ

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений Диссертационная работа изложена на 165 страницах машинописного текста и содержит 6 таблиц, 65 рисунков, 15 приложений Список литературы включает 112 наименований

Научные положения, выносимые на защиту:

■ способ получения износостойкого покрытия для рабочего органа почвообрабатывающей машины, включающий облучение исходного материала гамма-квантами интегральной дозой 5 - 100 кГр перед наплавкой на поверхность,

■ математические модели процессов взаимодействия отдельных порошковых компонентов из сплава для наплавки с гамма-квантами,

■ зависимость износостойкости покрытия от режимов облучения исходного материала,

■ результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, подтверждающие теоретические положения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» проведен обзор материалов, используемых при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих машин, определены актуальные задачи их совершенствования, главной из которых может выступить электротехнология

Трение и связанное с ним изнашивание металлоконструкций - наиболее старые проблемы сельскохозяйственной техники, не потерявшие своей актуальности и сейчас Большой вклад в развитие данного направления науки внесли такие ученые как Бабичев М А , Гринберг Э Г, Крагельский И В , Костецкий Б И , Лившиц Л С , Львов П Н , Рабинович А Ш , Розенберг Е М, Севернее М М, Сафонов В В , Ткачев В Н , Тененбаум М М, Хрущев М М, Цыпин Н В и др

В результате литературного анализа установлено, что, преимущественно, в целях повышения износостойкости рабочих органов из низкоуглеродистых сталей их наплавляют твердыми сплавами из порошковых составляющих, например, порошком из сплава сормайт Известные технологии наплавки рабочих органов порошковыми покрытиями обладают рядом недостатков, отражающихся на их износостойкости, среди которых превалирующими являются невозможность управления зернистостью порошка и механизмами диффузии в процессе наплавки Подходя к решению данного вопроса необходимо отметить, что быстрый высокотемпературный нагрев частиц порошка вызывает между ними электромагнитное взаимодействие, которое ответственно за активность протекающих диффузионных процессов и характер кристаллизации и зависит от степени ионизационного потенциала микроструктуры взаимодействующих частиц Следовательно, управляя электромагнитным взаимодействием между частицами порошка в процессе наплавки, возможно целенаправленно влиять на такие макроскопические свойства получаемого покрытия (сплава), как твер-

дость, прочность, износостойкость и др На основании этого были сформулированы следующие задачи исследований

1 Определить вид и энергию облучения, способных обеспечить повышение степени повреждаемости микроструктуры порошковых компонентов из сплава для наплавки без наведения остаточной радиации

2 Разработать математические модели, позволяющие оценить степень воздействия облучения на аллотропические превращения в микрообъемах структуры порошковых компонентов и их свойства на примере порошка из сплава сормайт

3 Предложить методику обработки и контроля результата облучения материала покрытия применительно к промышленным условиям

4 Дать оценку эффективности облучения материала покрытия на изменение его свойств и износостойкости рабочего органа

Во второй главе «Теоретические предпосылки использования энергии облучения для обработки материала покрытия» для теоретического обоснования результатов планируемого эксперимента был проведен анализ факторов, влияющих на отличительные свойства исследуемых материалов

Износостойкость культиваторных лап с биметаллической рабочей частью, полученной на основе порошка из сплава для наплавки, главным образом зависит от качества исходного материала покрытия - количества посторонних примесей в микроструктуре частиц, равномерности и мелкозернистости их гранулометрического состава Микроструктурные свойства частиц материала покрытия заложены на атомарном уровне, а поэтому их целенаправленное изменение возможно путем создания таких условий, при которых происходило бы переупорядочение атомов в их структуре Обеспечить такой процесс может воздействие тормозного излучения электронов от линейного ускорителя с энергией не более 10 МэВ (сложность использования электронов с энергией свыше 10 МэВ связана с возможностью появления наведенной радиоактивности) и, в частности, гамма-квантов, которые обладают большой проникающей способностью на уровне Ю'|0м Наведенные посредством гамма-квантов дефекты (изменения) в атомарных объемах частиц наплавочного материала могут по-разному отразиться как на его свойствах, так и на свойствах покрытия, полученного на его основе Поэтому определение необходимых и достаточных с точки зрения безопасности процесса электрофизических параметров облучения материала покрытия гамма-квантами явилось основой решения настоящей работы

Следует отметить, что до настоящего времени еще не создана общепризнанная математическая модель теоретического описания процесса облучения гамма-квантами на изменение свойств порошковых компонентов из сплавов для наплавки Учесть все факторы очень сложно Известно, что облучение гамма-квантами некоторых металлов и полимеров приводит к изменению их прочности и пластичности, которое зависит во-первых, от свойств облучаемого материала, во-вторых, от условий облучения, в-третьих, от вида и условий эксплуатации облученного материала При рассмотрении вопроса взаимодействия гамма-квантов с веществом возможны такие механизмы перераспределения

энергии в атоме как фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар Простейшими дефектами при облучении поликристаллического вещества являются вакансия и междоузельный атом (рисунок 1а), те процессы, сопровождающиеся ионизацией, возбуждением и смещением (замещением) атомов в его структуре Известно, что для смещения атомов необходимо, чтобы флуктуация энергии в структуре вещества превысила 25 эВ Поскольку сила связи атомов в узлах кристаллической решетки и удерживаемых ею примесных различна, то, следовательно, для их смещения потребуется разная энергия Это позволило автору представить принципиальную модель диффузионной активности разных атомов, определяющую степень миграции их в одном веществе (рисунок 16)

О С О О и ООО

о о о о о о о о о оПЛо:'1в :о о

О О О ОлО о с о осо

О О ООО

'Л

о с

о о о о о о с о

О : - С О и ООО (а) - основные типы точечных дефектов в кристаллической решётке

(б) - диффузионная активность отдельных атомов в зависимости от сообщенной энергии

А - примесный атом замещения, В - вакансия, 2В - дивакансия, С - междоузельный атом, Б - примесный атом внедрения, |9, - скорость миграции атома в узлах решётки, 32 - скорость миграции примесного атома в решётке, Е - энергия, переданная атому, I - время облучения, \ - приведенная толщина Рисунок 1 - Образование точечных дефектов в кристаллической решетке

Тип и размеры инициированных дефектов, их распределение в веществе и взаимодействие с дефектами «собственного» происхождения оказывают существенное влияние на все его свойства Основными параметрами, определяющими результат облучения гамма-квантами, являются поглощенная доза, мощность и температура облучения

Поглощенная доза при взаимодействии гамма-квантов с веществом рассчитывается по известной формуле

(1Е

где О - поглощенная доза, Гр, Е - энергия частицы (гамма-кванта), МэВ, £ - приведенная толщина, кг/м2 (£, = хр, где р - плотность, кг/м3, х - толщина мишени, м), йЕ/йЕ, - полные потери энергии, МэВ м2/кг, ] - плотность тока частиц на мишени, мкА/м2, / - время облучения образца, с

Исходя из проведенного анализа, автором предложена дислокационная модель, описывающая диффузионные процессы миграции примесных атомов в

кристаллической структуре вещества под воздействием энергии гамма-квантов (рисунок 2)

Р5

а б в

а, б, в - фазы сдвига, Рь Р2, Рз, Р4, Рз - примесные атомы Рисунок 2 -Дислокационная модель изменения положения межузельных и примесных атомов в кристаллической решетке до (а) и после (в) воздействия на нее гамма-квантов

Гамма-кванты, взаимодействуя с электронными подсистемами атомов, вызывают образование в структуре вещества ионов с различными электрическими зарядами, движение которых в случае кристаллической структуры определяется вакансионными пустотами, имеющими стабильно положительный электрический заряд Например, в результате усиленной ионизации атомов кристалла происходит их возбуждение, выражающееся в движении дислокации Перемещение дислокации по кристаллу объясняется его свойством к пластической деформации Сдвиг зарождается в слабом месте и постепенно распространяется по всей плоскости - ранее оборванная плоскость восстанавливается, а соседняя становится оборванной Из этого следует, что воздействие гамма-квантами приводит к миграции как межузельных, так и примесных атомов в структуре вещества, а энергия, затраченная на образование каждого дефекта, приводит к повышению его общей энергии

Порошок из сплава сормайт представляет собой композиционную смесь металлических и неметаллических частиц Различная форма организации микроструктуры данных частиц по-разному определит механизм взаимодействия с гамма-квантами Исходя из этого, автором были предложены теоретические модели аллотропических превращений в микрообъёмах частиц порошка используемого сплава под воздействием энергии гамма-квантов с учетом следующих двух стадий

накопление в микрообъемах металлических частиц энергии гамма-квантов, приводящей к дроблению их кристаллической структуры (рисунок 3),

Рисунок 3 - Взаимодействие гамма-квантов с кристаллической структурой частицы

- рост микрообъема неметаллических частиц под действием энергии гамма-квантов (рисунок 4)

Рисунок 4 - Взаимодействие гамма-квантов с молекулярной структурой частицы

На рисунках 3 и 4 направление стрелок отражает возбужденное состояние атомов среды соответственно по границам кристаллов и комплексам молекул В качестве теоретической предпосылки представленных математических моделей явились известные выводы из кинетики разложения твердых веществ, а именно твЛ те В + газС - известная Лангмюрова кривая разложения

Формула (1) при рассмотрении представленных моделей может быть преобразована с учетом различных временных фазовых процессов, происходящих при облучении различных частиц порошка

При взаимодействии гамма-квантов с кристаллической структурой частицы на начальном этапе происходит передача энергии системе, сопровождающаяся ионизацией и возбуждением атомов в кристаллической решетке (рисунок За) В данном случае уравнение фазового процесса принимает следующий вид

С г^Л.Р,

Р.1 ,, *

где у? - повышение внутрикристаллической энергии частицы (Дж), - внутренняя энергия частицы (Дж), Бг— энергия гамма-квантов (МэВ), р., - плотность воздуха

(кг/м3), / - расстояние до объекта облучения (см), Нг - частота следования импульса (Гц), / - время облучения (с),

> с1, = —1-=----сумма наведенных дефектов в микроструктуре

п

частицы (где Ф - плотность потока гамма-квантов, м"2с"', а - сечение столкновений, вызывающих смещение, V - среднее количество смещений на один первично смещенный атом, я - число измерений), рг - плотность частицы (кг/м3), з"1 - длительность импульса (с"'), т„ - характер структуры частицы (может быть определен через полный коэффициент поглощения

На следующем этапе фазового процесса (рисунок 36) происходит повышение степени ионизации внутрикристаллической структуры частицы и приведение атомов среды в метастабильное (сильно возбужденное) состояние

где - запасенная внутренняя энергия частицы (Дж/кг), тш - масса всех частиц порошка, подвергающаяся облучению (кг).

На определенном этапе фазового процесса (рисунок Зв) внутрикрис-таллическая структура частицы насыщается сообщенной энергией до некоторого максимума, в результате чего спровоцированная диффузия атомов приводит к росту кристалла в единице объема частицы, сопровождающемуся разрывом отдельных внутрикристаллических связей между атомами и, как следствие, разделением кристаллической структуры на самостоятельные части (дробление металлических частиц на более мелкие)

" х-

где у" - насыщение сообщенной энергией внутрикристаллической структуры частицы (Дж/кг), V",- объем частицы, соответственно до и после ее облучения (мкм3), X - количество частиц порошка в единице объема после облучения

Заключительный этап фазового процесса (рисунок Зг) характеризует состояние частицы после облучения, приводящее к релаксации ее внутри-кристаллической структуры в зависимости от температуры и состояния окружающей среды

г: = ]г:тл, (5)

где у" - переход кристаллической структуры частицы из возбужденного состояния в равновесное (Дж/кг)

При взаимодействии гамма-квантов с молекулярной структурой частицы на начальном этапе также происходит передача энергии системе, сопровождающаяся ионизацией и возбуждением атомов среды (рисунок 4а) В данном случае уравнение фазового процесса у"0 имеет вид, аналогичный уравнению (2) На следующем этапе фазового процесса (рисунок 46) в молекулярной структуре частицы происходит образование кластеров и комплексов молекул, сопровождающееся перераспределением электронной плотности взаимодействующих атомов и, как следствие, ростом объема частицы

У1=г:+^^куг1т' (6)

У" X"

где у"б — запасенная внутренняя энергия частицы (Дж/кг), /3 - коэффициент объемного расширения неметаллических частиц (условно примем /?« 0,5)

В отличие от кристаллических связей, разрыва молекулярных связей не произойдет, что можно объяснить их меньшей жесткостью и, как следствие, большой пластичностью

Последним этапом фазового процесса (рисунок 4в), характеризующего молекулярное состояние частицы после облучения, является релаксация

У: = \fjdt,

(7)

где у] - переход молекулярной структуры частицы из возбужденного состояния в равновесное

Таким образом, по мнению автора, формула (1) с учетом запасенной энергии в структуре частиц порошка используемого сплава в результате облучения гамма-квантами примет следующий вид

где ощ - необходимая и достаточная доза облучения, Гр

Сведения для обоснованного выбора £>ад, обеспечивающей уровень тех или иных свойств обрабатываемых порошковых компонентов, отсутствуют из-за новизны решаемой проблемы, что обуславливает ее эмпирический подбор

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» определены инфраструктура, оборудование и оснастка, необходимые в технологическом процессе изготовления рабочих органов с биметаллической рабочей частью, при осуществлении обработки гамма-квантами порошка используемого сплава и изложены методики проводимых экспериментов при оценке свойств исследуемых композитных материалов в лабораторных и эксплуатационных условиях

Технология изготовления культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе порошка из сплава для наплавки включает в себя следующие стадии приготовление порошковых компонентов покрытия, например, физико-механическим способом путем размельчения сырьевых материалов на дробильном агрегате, фрезерование режущих поверхностей рабочих органов, подлежащих наплавке слоем порошкового покрытия, нанесение порошка на кромку лезвия рабочего органа и его наплавка в электромагнитном поле высокочастотного индуктора (как правило), свободное остывание наплавленного покрытия при температуре окружающей среды

В настоящей работе в качестве материала покрытия, исходного и подлежащего обработке гамма-квантами, использовался порошок из сплава сормайт №1 Для определения влияния дозы облучения на свойства порошка используемого сплава, он был разделен на партии и помещен в полиэтиленовые пакеты Масса одной партии составляла 0,4 кг, количество обработанных партий - 7 Контрольная партия (№0) облучению не подвергалась Гамма-кванты генерировались вольфрамовой пластиной путем торможения на ее поверхности ускоренных электронов от линейного ускорителя типа ЭЛУ-4 Для обеспечения равномерного облучения пакеты с сормайтом выставляли на расстоянии 300 мм от выходного окна ускорителя на неподвижный штатив (рисунок 5) Температура окружающей среды в процессе облучения составляла +21°С Доза облучения определялась воздухоэквивалентной ионизационной камерой УА-К-252 2, работающей совместно с дозиметрическим прибором УА-.Г-18, и составляла 5-100 кГр Интегральная доза облучения каждой партии составляла 555,5 рад/с

ЛГ К 2 )

Эксперимент по облучению проводился в Казахском национальном университете им. аль-Фараби (г. Алматы, республика Казахстан).

1 - столик (поворотный); 2 - порошок сормайта в полиэтиленовом пакете;

3 - вольфрамовая пластина; 4 - выходное окно линейного ускорителя электронов Рисунок 5 — Технологическая схема облучения порошковых компонентов

После облучения все партии порошка используемого сплава (далее партии) и полученные покрытия рабочих органов на их основе исследовались различными методами на предмет изменения первоначальных свойств. Эталоном сравнения выступала контрольная (необлучённая) партия.

Контроль за концентрацией дефектов, свидетельствующих о степени разложения порошковых компонентов и необходимой дозы облучения, осуществлялся электронным парамагнитным анализатором путём регистрации сигнала и записи спектра ЭПР на радиоспектрометре типа ЭПА-2М. Методика этого эксперимента состояла в том, что порошковые компоненты из каждой партии засыпались в ампулы из кварцевого стекла с размерами: диаметр 4,5 мм, длина 70 мм, толщина стенки 0,4 мм. Затем поочерёдно каждая ампула с порошком помещалась в резонатор прибора ЭПА-2М, после чего записывался спектр сигналов образца с различными временами развёртки.

Контроль свойств всех партий на основе гравиметрического анализа осуществлялся на компараторе СС 500 и состоял в том, что порошок из каждой партии в объёме 1 см3 помещался в полиэтиленовый пакет и взвешивался на компараторе, по показаниям которого принималась насыпная плотность исследуемой партии материала покрытия за исключением массы тары (пакета).

При определении гранулометрического состава частиц во всех партиях были изучены особенности изменения следующих величин: площади частиц, параметр которой позволяет наиболее объективно оценить их фактический размер; размера частиц, для определения которого были использованы размеры их феретов - минимального и максимального калибра, а за средний размер было принято среднее арифметическое значение откалиброванных частиц; отношение длин минимального ферета к максимальному, определяющее степень изо-метричности частиц. Количественные и качественные измерения порошковых компонентов осуществлялись на микроскопе Axioplan 2 по их бинарным (чёрно-белым) изображениям отдельно для металлических и неметаллических частиц и статистически обрабатывались (выборка составляла в среднем 75 частиц) с помощью программного обеспечения комплекса KS-400 (Zeiss).

Для установления влияния гамма-квантов на химический состав исследуемых партий был проведен молекулярный спектральный анализ (в частности, качественный) с помощью спектрографа кварцевого ИСП-30 Методика этого эксперимента заключалась в фотографировании спектров порошковых компонентов на специальную фотопластинку по тип I «спектральные», которая затем для качественного определения состава пробы рассматривалась при помощи спектропроектора ДСП-I, и нужный элемент определялся по длине его волны

При исследовании атомных перестроек б матрице материала покрытия применялся метод внутреннего трения Для измерения внутреннего трения использовалась установка крутильного маятника, позволяющая измерять обратные значения декремента колебаний в диапазоне от 20 до 999 и частоту синусоидальных колебаний с измерительного преобразователя в диапазоне 0,5 -15 Гц при свободных колебаниях образцов с площадью поперечного сечения 1 -5 мм2, длиной 60 - 100 мм в интервале температур от +20 до +800°С

Для анализа параметров твердости (макро- и микро-) и толщины переходной зоны (покрытие-сталь) у полученных покрытий рабочих органов использовались твердомеры ТК-2, ТШ-2М, а также микротвердомер ПМТ-3 Макро- и микротвердость исследуемых партий покрытия измерялась по методикам, основанным на вдавливании индетора - Роквелла, Бринелля и Хрущева-Берковича

Металлографическое исследование микроструктуры покрытий осуществлялось на микроскопе МИМ 7 Полученные изображения фотографировались на цифровую фотокамеру Kodak Easy Share С643 В целях обеспечения объективной оценки результатов исследований были изготовлены от 2 до 4 образцов сплава и их шлифов, соответствующих определенной партии материала покрытия

Для оценки адгезионной прочности исследуемых покрытий были проведены испытания на изгиб наплавленных ими образцов кромок лезвий лапы культиватора Испытания проводились на прессе Амслера с ручным приводом типа ПР-5 Испытательные образцы гнулись как со стороны покрытия, так и с тыльной стороны основы сплава при средней нагрузке 1075 кг Радиус и угол изгиба испытуемых образцов составляли R = 17 мм и а = 90° соответственно

Эксплуатационные испытания культиваторных лап с биметаллической рабочей частью, полученной на основе исходного и облученного гамма-квантами порошка из сплава сормайт, проводились на культиваторах КПС-4 0, агрега-тируемых с трактором К 701 Р На культиваторы были установлены универсальные стрельчатые лапы (изготовленные из стали 20) с шириной захвата режущих кромок в = 330 мм в количестве 2-4 единицы на каждую наплавленную партию материала покрытия

В четвертой главе «Результаты исследований и их анализ» приведены данные лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний исследуемых композитов и их сравнительный анализ

«

о я 5

СЗ К

в <и

го

к

140 120 100 80 60 40 20 0

л л

«к V Ч /

У

0 Д1 Д2 ЛЗ Д4 Д5 ДВ Д7

Увеличение дозы облучения порошка до хЮ7 рад

Рисунок 6 -Динамика изменения насыпной плотности порошка от дозы облучения

Исследования спектров ЭПР у контрольной и облученных гамма-квантами партий материала покрытия, снятых при комнатной температуре, указывают, что суммарная концентрация образующихся после облучения парамагнитных центров равна 1018 - 10 см

Контроль свойств всех партий порошка на основе гравиметрического анализа показал, что дозовая зависимость его облучения носит сложный и неоднозначный характер с увеличением дозы облучения насыпная плотность сначала возрастает, а затем резко

падает и тд (рисунок 6) Данный факт свидетельствует о существенном влиянии гамма-квантов на зернистость порошковых компонентов

Результаты сравнительного анализа гранулометрического состава частиц во всех партиях порошка подтверждают выдвинутые автором математические модели аллотропических превращений в них (рисунок 3,4), определяющие неоднородность их изменения после облучения - металлические частицы измельчились, а размеры неметаллических увеличились (рисунок 7,8)

Площадь металлических частиц, мкм2

Площадь металлических частиц, мкм!

а - исходное состояние, б - состояние после облучения Рисунок 7 - Распределение металлических частиц до и после облучения

I 25000 5600В 75000 100000

Площадь неметаллических частиц, мкм2

50001 ЮОООО 150000

Площадь неметаллических частиц, мкм2

а — исходное состояние, б - состояние после облучения Рисунок 8 - Распределение неметаллических частиц до и после облучения

Методом качественного спектрального анализа, позволяющего обнаружить химические элементы, присутствующие в самых малых концентрациях, без указания их количественного соотношения, было установлено, что облучение

гамма-квантами порошковых компонентов используемого сплава не приводит к изменению химического состава исходной смеси

Результаты измерения величины внутреннего трения и модуля сдвига в образцах (пластины с размерами по длине 50 мм, ширине 5 мм и толщине 0,7 мм), изготовленных из обычного и облученного гамма-квантами на стадии сырья (порошка) железа, свидетельствуют о более высоких свойствах микроструктуры (твердости, пластичности) облученного образца (рисунок 9)

3,2

@ 0 50 100 150 200 250 300 350 (б) 0 50 100 150 200 250 300 350

т,°с т,°с

а - температурная зависимость внутреннего трения, б - температурная зависимость модуля сдвига, 1 - до облучения , 2 - после облучения Рисунок 9 - Температурные зависимости внутреннего трения и модуля сдвига в железе

Анализ параметров макро- и микротвердости, толщины переходной зоны (покрытие-сталь) у полученных покрытий рабочих органов на основе контрольной и облученных гамма-квантами партий порошка используемого сплава показал, что опытные образцы отличают более высокая микротвердость наплавленного слоя покрытия, меньшие параметры микротвердости в переходной зоне и ее толщины (таблица 1), а следовательно, повышенная адгезионная прочность

Таблица1- Физико-механические свойства биметаллической рабочей части культиваторных лап, полученной по известной и предлагаемой технологии

Способ получения покрытия Макротвердость Микротвердость по методу Хрущева - Берковича, Нм, МПа Толщина переходной зоны, мкм

металл, НВ сплав, HRC металл (основа) переходная зона покрытие (сплав)

Прототип 149 5055 1657,5 -2437,5 4095 2993,3 -3217,5 8-30

Образец 1 3120-3315 4290 - 6240 4-8

Образец 2 3705 до 8580 5-18

Образец 3 1657,5 -3120 5606,3 - 6727,5 13-30

Образец 4 2242,5 - 2340 3315 - 5606,3 17-34

Образец 5 3705 4875 - 8970 6-18

Примечание - Образцы 1 -5 - покрытия, полученные с использованием облучения гамма-квантами

Анализ микроструктуры покрытий рабочих органов на основе исходного (рисунок 10) и обработанного (рисунок 11) гамма-квантами порошка из сплава

сормайт №1, показал, что на фоне перлитно-ферритной основы обоих образцов, в микроструктуре слоя наплавки опытного образца значительная площадь занята выделениями цементита, входящего в ледебурит округлой, игольчатой и веерообразной формы. Опытный образец отличается повторяемостью свойств во всём объёме сплава: малым количеством микроскопических пор, отсутствием микротрещин и короблений поверхности, более сильной адгезией к наплавленной основе и повышенной микротвёрдостью структуры (см. таблицу 1). Образец прототипа характеризуется неодинаковостью химического потенциала, который вызвал большое количество микропор в междуветвиях диффузионного происхождения, структурной неоднородностью (тугоплавкие составляющие сосредоточены в дендритах и в переходной зоне, а междуветвия дендритов заполнены эвтектикой), наличием большого количества грубых усадочных раковин, трещин и короблений в своей структуре и, как следствие, заниженным комплексом физико-механических свойств - более слабыми адгезией, прочностью структуры и др.

Рисунок 10 - Микроструктура образца сплава прототипа

Рисунок II - Микроструктура образца опытного сплава

На приведённых фотографиях (рисунок 10, 11) слева показана микроструктура покрытия (сплава) до травления основы*, а справа - после травления** (увеличение 500х).

После лабораторных испытаний исследуемых покрытий на изгиб, методом микроструктурного анализа было зафиксировано следующее внутреннее состояние испытательных образцов (рисунок 12):

1) при изгибе испытательных образцов с обеих сторон не наблюдалось отслоение наплавки;

2) имеют место следующие дефекты:

- на образце «а» единичные раковины до 40 мкм;

- на образце «а]» трещины на всю толщину наплавки

С ЗаХОДОМ 5 МаТсрИаЛ ОСНОВЫ

до 200 мкм, ширина раскрытия трещин от 16 до 200 мкм;

- на образце «б» единичные раковины до 24 мкм;

- на образце «6i» трещины в наплавке, не заходящие

в материал основы, ширина а, а, - покрытие прототипа; б, б,-то же, опытное раскрытия трещин от 8 до увеличение 170х

16 МКМ. Рисунок 12 - Дефекты микроструктуры

Полученные результаты покрытий прототипа и опытного после изгиба исследований позволили усовершенствовать технологию упрочнения культиваторных лап за счёт введения операции облучения материала покрытия гамма-квантами. По результатам эксплуатационных испытаний (рисунок 13) износостойкость культиваторных лап с биметаллической рабочей частью, полученной по предлагаемой технологии, повысилась в среднем в 1,4 раза (после культивации 1200 га почвы, согласно производственному заданию).

Поскольку абразивное изнашивание культиваторных лап происходит практически по всей площади поверхности, что можно определить, исходя из массы лап до и после их испытаний, то при определении износа лап - площади передней режущей части (подвергнутой упрочнению), их измерение проводилось без учёта износа затылочной части.

лапа с покрытием лапа культиватора с лапа с опытным

прототипа, после биметаллической рабочей покрытием, после

испытаний частью, до эксплуатй- испытаний

(наработка 17,64 га) ционных испытаний (наработка 25 га)

Рисунок 13 - Лапы культиватора до и после эксплуатационных испытаний

Таким образом, эмпирическая зависимость электрофизического процесса обработки порошка из сплава сормайт гамма-квантами определяется как

(9)

Главная роль при этом отводится энергии гамма-квантов Ег, которая, в первую очередь, определяет взаимодействие с атомами и молекулами частиц порошка и таким образом формирует его отличительные свойства

В таблице 2, в зависимости от дозы облучения порошковых компонентов используемого сплава гамма-квантами и на основании эксплуатационных испытаний, приводятся коэффициенты рекомендуемой степени объемного расширения неметаллических частиц и экстраполированный показатель надежности Эк, позволяющие оценить предельную наработку рабочих органов с биметаллической рабочей частью

Таблица 2 - Влияние дозы облучения материала покрытия на экстраполированный показатель надежности твердого сплава

Доза облучения Коэффициент Номер сплава Экстраполированный

порошковых объемного рас- согласно показатель надежности

компонентов из ширения неме- программе твердого сплава, Эк

сплава сормайт, таллических исследований

Гр частиц, (3

1,98x10" 0,13-0,49 1 х0,381

3,0*Ю4 2 х0,506

*3,0хЮ4 3 х0,169

1,0*Ю4 4 х0,228

5,0Х103 5 х0,790

5,0x10" 6 х0,482

1,0*Ю5 7 х0,010

Примечание - *Удар холодом при температуре жидкого азота (-196°С)

Для оценки предельной наработки рабочего органа с биметаллической рабочей частью, полученной на основе облученного гамма-квантами порошка из сплава сормайт, автором предложена следующая формула

<»,=*„+(*» Э4), (Ю)

где /точ — предельная наработка, га, Хга - гарантийная наработка, га

Исходя из результатов сравнительного анализа лабораторно-эксплуатацион-ных испытаний настоящей работы, необходимая и достаточная доза при обработке порошка из сплава сормайт №1 гамма-квантами должна удовлетворять условию

0 = §^=(^)-51°3/> С11)

В пятой главе «Экономическая оценка результатов» изложены основные эргономические показатели, оценивающие экономическую эффективность предлагаемого способа обработки материала покрытия

Эксплуатационные испытания культиваторных лап с биметаллической рабочей частью, полученной по известной и предлагаемой технологии, показали, что масса и площадь лапы с покрытием прототипа после испытаний уменьшились в среднем на 27,5% и 24,8%, в то время как у лапы с покрытием, подвергнутым облучению гамма-квантами на стадии сырья, эти параметры составляли 31,5% и 11,8% соответственно (рисунок 14).

номера партий культиваторных лап: 0 - образцы прототипа, 1 - 7 опытные

Рисунок 14 - Графики потери массы и износа культиваторных лап после эксплуатационных испытаний

Разница в потере массы между лапами прототипа и опытными связана с тем, что в течение отведённого периода на эксплуатационные испытания лапы с покрытием прототипа были обновлены на 22%, в то время как простоев машинно-тракторного агрегата, вызванных заменой лап с опытным покрытием, не было. При этом глубина культивации почвы соответствовала агротехническим требованиям и составляла 8-10 см, лапы самозатачивались по всей длине режущих кромок.

Поскольку износостойкость лапы культиватора в данном случае обеспечивалась качеством наплавочного покрытия, то при оценке её будущей себестоимости, при использовании предлагаемой в настоящей работе технологии, следует исходить из начальной и конечной себестоимости материала покрытия.

Одного килограмма порошка из сплава сормайт, себестоимость которого по

состоянию на 2007 г. составляла 118 руб., хватает для наплавки 63 лап культиватора с шириной захвата режущих кромок В = 330 мм и стоимостью 83 руб. каждая. Затраты на обработку гамма-квантами 1 кг порошка используемого сплава (связанные с эксплуатацией и обслуживанием источника излучения) увеличат его себестои-

6000 -I—

300 600 900 1200 1260 1500 1764

наработка, га

—*— 63 лапы с покрытием прототипа - -ж- - 63 лапы с опытным покрытием

Рисунок 15 - Диаграмма «цена-качество»

мость на 2,36 руб , что составит в совокупности 120,36 руб

Согласно результатам эксплуатационных испытаний, предлагаемая технология упрочнения покрытия обеспечила в среднем повышение износостойкости лапы культиватора в 1,4 раза Таким образом, при средней гарантийной наработке лапы культиватора с покрытием прототипа в 20 га и с опытным покрытием в 28 га, получим при эксплуатации 63 лап культиватора, упрочненных по предлагаемой технологии, экономию денежных средств в размере 1970,4 руб (рисунок 15)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ литературных данных и патентный поиск показали, что воздействие тормозного излучения электронов (гамма-квантами) от линейного ускорителя с энергией не более 10 МэВ способно обеспечить повреждаемость микроструктуры порошковых компонентов из сплава для наплавки на наноуровне, что позволяет получать частицы с высокой однородностью структуры, активностью и без наведенной остаточной радиации

2 Разработаны математические модели и предложена методика расчета, позволяющие оценить степень инициирующего воздействия гамма-квантов на изменение свойств порошка из сплава сормайт, которые позволили определить граничные условия облучения

3 Применительно к промышленным условиям предложена методика облучения гамма-квантами порошка из сплава сормайт, согласно которой результат облучения зависит от поглощенной дозы и определяется энергией гамма-квантов, плотностью обрабатываемых веществ и временем процесса Установлена закономерность направленной перекристаллизации структуры сплава сормайт №1 в зависимости от дозы облучения исходного сырья

4 Микроструктурный анализ показал, что в структуре покрытия из порошка, облученного гамма-квантами, значительную площадь занимают выделения цементита, входящего в ледебурит округлой, игольчатой и веерообразной формы, которые повышают микротвердость покрытия в среднем в 2,1 раза Одновременно с этим, облучение материала покрытия гамма-квантами позволяет обеспечить при наплавке в среднем уменьшение толщины переходной зоны (покрытие-сталь) на 51,8% и микротвердости в ней на 13,5%, что повышает адгезионную прочность покрытия в 2,2 раза

Структура покрытия прототипа характеризуется неоднородностью свойств, большим количеством микропор, раковин и трещин в наплавке и, как следствие, более низкими адгезионной прочностью и микротвердостью и др

5 По результатам лабораторных испытаний на изгиб с обеих сторон образцов кромок лезвий лапы культиватора с покрытием прототипа и обработанным гамма-квантами на стадии сырья не наблюдалось отслоение наплавки, однако глубина и ширина раскрытия трещин в структуре последнего были в 5,4 раза меньше

6 На основании проведенных исследований предлагается технология повышения износостойкости покрытия из порошка для наплавки По результатам

эксплуатационных испытаний износостойкость культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе облученного гамма-квантами порошка из сплава сормайт повысилась в среднем в 1,4 раза, что обеспечивает экономию денежных средств при эксплуатации 63 лап с шириной захвата режущих кромок В = 330 мм в размере 1970,4 руб (по состоянию на 2007 г)

Область использования предлагаемой технологии распространяется на любые типы почвообрабатывающих орудий с биметаллической рабочей частью, полученной на основе порошка из сплава сормайт, например, лемехи плугов, а ТиКЖС На Др^ГИС ОТраСЛИ промышленности при получении ИЗНОСОСТОЙКИХ ПО К-рытий для быстроизнашиваемых металлических поверхностей и др

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Федоров А Л Новые технологии для получения материалов сельскохозяйственных машин / Б П. Чесноков, О В Наумова, Е В Спиридонова, А Л Федоров // Ульяновские чтения - 2005 материалы Междунар науч -практ конф, посвященной 100 летию со дня рождения АФ Ульянова, - Саратов,

2005 - (Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства», ч II) С 10-12 Г0.16/0.06)

2 Федоров А Л Перспективные технологии для получения материалов в промышленности / Б П Чесноков, О В Наумова, А Л Федоров // Материалы и технологии XXI века Сб статей IV Международной конференции - Пенза,

2006 - С 3-5 (0.19/0.10)

3 Федоров А Л Современные способы получения покрытий из порошковых материалов // Современные технологии в машиностроении Сб статей X Международной научно-практической конференции - Пенза, 2006 - С 144146 (0,13)

4 Федоров А Л Ионизирующее облучение как метод повышения износостойкости материала почвообрабатывающего инструмента // Энергосберегающие технологии в АПК Сб статей Всероссийской научно-практической конференции - Пенза, 2006 - С 94-96(0,13)

5 Федоров АЛ Перспективное направление в технологии обработки материалов /АЛ Федоров, Б П Чесноков, О В Наумова // Проблемы и перспективы обеспечения конкурентоспособности сельского хозяйства России Сб статей Всероссийской научно-практической конференции - Саратов, 2006 -С 95-98 (0.20/0.15)

6 Федоров А Л Применение инновационных технологий для производства почвообрабатывающих орудий / Б П Чесноков, А Л Федоров // ВЕСТНИК Саратовского госагроуниверситетеа им Н И Вавилова - Саратов, 2007 №4 -С 64-67 (0.44/0.30)

7 Федоров А Л Повышение свойств композиционных материалов и покрытий из порошков /АЛ Федоров, Б П Чесноков, С В Поликарпов // Композиционные строительные материалы Теория и практика Сб статей Международной научно-технической конференции -Пенза, 2007 - С 281-283 (0.14/0.10)

8 Федоров А Л Ускорительная техника в агроинженерной науке / А Л Федоров, Б П Чесноков // Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» Сб статей Международной научно-практической конференции -Москва, 2007 - С 286-288 (0.18/0.16)

9 Федоров А Л Повышение качества сплавов на основе железа / Б П Чесноков, А Л Федоров // Проблемы исследования и проектирования машин Сб статей III Международной научно-технической конференции -Пенза, 2007 - С 115 - 117 (0,13/0,11)

Подписано в печать 15 04 2008 Формат 60x84 '/к Бумага офсетная Гарнитура Times Печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 303/2008

Отпечатано в типографии ОООп «Орион» 410031, г Саратов, ул Московски 62, тел (8452)23-60-18

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.у

1.1 Актуальные задачи повышения износостойкости культиваторных лап с биметаллической рабочей частью.

1.2 Состояние исследований по изучаемой проблеме.

1.3 Цель и задачи исследований.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОБЛУЧЕНИЯДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ.

2.1 Обоснование необходимости облучения.

2.2 Факторы, определяющие результат облучения.

2.3 Выбор вида и.типа источника ионизирующего излучения для обработки материала покрытия.

2.4 Обоснование принципов .моделирования объекта и предмета изучения.

2.5 Модель аллотропических превращений в материале покрытия под действием энергии облучения.

Выводы.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Определение методов исследования.

3.2 Технология изготовления культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе порошка из сплава для наплавки.

3.3 Требования к установке для облучения материала покрытия.

3.4 Методика < облучения материала покрытия.

3.5 Исследование парамагнетизма материала покрытия методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

3.6 Гравиметрический анализ насыпной плотности материала покрытия

3.7 Гранулометрический анализ частиц материала покрытия.

3.8 Спектральный анализ материала покрытия.

3.9 Исследование внутреннего трения в матрице материала покрытия.

ЗЛО Определение макро- и микротвёрдости покрытия.

3.11 Металлографический анализ структуры покрытия.

3.12 Определение адгезионной прочности покрытия изгибом.

3.13 Эксплуатационные испытания культиваторных лап.

Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

4.1 Результаты исследования спектров ЭПР, снятых с материала покрытия.

4.2 Результаты измерения насыпной плотности материала покрытия.

4.3 Результаты гранулометрического анализа частиц материала покрытия

4.4 Результаты спектрального анализа материала покрытия.

4.5 Результаты измерения внутреннего трения в матрице материала -покрытия.

4.6 Результаты определения твёрдости и микроструктурного состояния покрытия.

4.7 Результаты испытания покрытия на изгиб.

4.8 Результаты эксплуатационных испытаний культиваторных лап, упрочнённых по известной и предлагаемой технологии.

Выводы.

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

Современные требования научно-технического прогресса выдвигают перед учёными, занимающимися конструированием рабочих органов почвообрабатывающих машин, новые проблемы и задачи - создание материалов с заданными физико-химическими и механическими свойствами, обеспечивающими • наибольшую износостойкость рабочих органов в эксплуатационных условиях. В'полной мере это относится к лапам культиваторов.

Ввиду недостаточной эффективности существующих методов упрочнения материала лап культиваторов (закалка поверхности, лазерное упрочнение, введение легирующих элементов, использование высокоуглеродистых сталей и др.), а также в целях экономии высококачественного металла, их изготавливают из низкоуглеродистых сталей, и для обеспечения прочности и самозатачивания наплавляют твёрдыми сплавами, образующими биметаллическую рабочую часть [105 - 108]. В таком сочетании основной металл обеспечивает прочность, а наплавочный слой - абразивную износостойкость [60, 74]. Известно, что наибольшую износостойкость рабочим органам обеспечивают покрытия на основе композиции порошков из сплавов для наплавки [1 - 18, 74, 112]. Между тем, практика эксплуатации таких композитов свидетельствует о необходимости получения более стойкого к абразивному износу покрытия (сплава), а методы, основанные на,химическом модифицировании его сырьевых компонентов, себя исчерпали. Изменить существующее положение возможно путём разработки прогрессивного электрофизического процесса, позволяющего управляемо влиять на характер кристаллизации структуры твёрдого сплава в процессе наплавки.

Развитие радиационной физики на базе ускорительной техники дало возможность использовать для решения поставленного вопроса принципиально новое оборудование - ускорители электронов, позволяющие вести обработку порошковых компонентов из сплава для наплавки ионизирующим излучением [19 - 26, 103 - 106, 110]. Изменение различных свойств материала покрытия при этом может быть достигнуто с помощью введения в его структуру так называемых радиационных дефектов, возникающих при облучении' быстрыми частицами. Происходящие при облучении процессы в материалах являются* очень сложными и по настоящее время ещё до конца не изученными, а потому носят эволюционный характер. В радиационной физике твёрдого тела и технологии изготовления- материалов- эти работы связаны, в. основном с изучением влияния^ различных видов> ионизирующих излучений на свойства, готовой продукции [29 - 34, 45, 46], и имеет место1 лишь незначительное* количество работ по применению излучений непосредственно в! технологических процессах при производстве различных материалов; в том- числе и порошковых [24, 61]. Для- данной области механики и физики характерна неразработанность экспериментальных методик изучения' внутренних параметров среды- из-за кратковременности протекающих процессов. Тем не менее, область применения-, сейчас ионизирующего излучения в различных областях науки и техники- очень широка [20, 110], что подтверждает актуальность исследований в.выбранном направлении.

Известно, что вид и доза облучения материала формируют его последующие отличительные свойства. Это ставит задачу нахождения связи между условиями облучения материала покрытия как, целого в зависимости от соотношения "вид - энергия - температура - доза" [108].

Выбор вида облучения материала покрытия осуществлялся^ из следующих условий. Прежде всего, излучение должно быть проникающим и создавать равномерно по объёму радиационные дефекты, не разогревая существенно порошковые компоненты. После облучения материал покрытия не должен быть радиоактивным, сам же источник излучения также не должен быть опасным. Этим условиям в полной мере' отвечает тормозное гамма-излучение (гамма-кванты), полученное (на вольфрамовых или молибденовых мишенях) от ускорителей электронов с энергией меньше 10 МэВ [110].

В силу сказанного, основной целью настоящей работы является повышение износостойкости культиваторной лапы с биметаллической рабочей частью за счёт обработки материала покрытия гамма-квантами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- способ получения износостойкого покрытия для рабочего органа почвообрабатывающей машины, включающий облучение исходного материала гамма-квантами интегральной дозой 5 — 100 кГр перед наплавкой на поверхность;

- математические модели процессов взаимодействия отдельных порошковых компонентов из сплава для наплавки с гамма-квантами;

- зависимость износостойкости покрытия от режимов облучения исходного материала;

- результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, подтверждающие теоретические положения.

4.1 Результаты исследования спектров ЭПР, снятых с материала покрытия

Эксперименты показали, что необработанная гамма-квантами контрольная партия материала покрытия не обладает парамагнитными свойствами. Исследования спектров ЭПР облучённых партий материала покрытия в диапазоне доз 5-100 кГр, снятых при комнатной температуре, указывают, что суммарная концентрация образующихся парамагнитных центров равна 1018- 1021 см'3.

Спектры (пики сигналов) облучённых партий (рисунок 4.1) изменяются в зависимости от дозы облучения. Причём, максимум сигнала приходится на 5 кГр. При облучении материала покрытия дозой 100 кГр вид спектра существенно изменяется, наблюдается рекомбинация парамагнитных центров.

1,0-105 Гр

104 Гр

Рисунок 4.1 - Спектры облучённых партий материала покрытия

Результаты проведённого эксперимента позволяют установить следующее: облучение материала покрытия гамма-квантами обуславливает появление спектра ЭПР, свидетельствующего о формировании сверхтонкой структуры, скорость активации зависит от дозы облучения.

4.2 Результаты измерения насыпной плотности материала покрытия

В результате гравиметрического анализа установлены следующие значения насыпной плотности 1 см3 у исследуемых партий материала покрытия:

1. Порошковая металлургия и новые композиционные материалы. Изд-во Сарат. ун-та. 1985. 80 с.

2. Порошковая металлургия материалов с особыми свойствами: Межвузовский сборник. — Куйбышев: КуАИ, 1981. 124 с.

3. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Металлокерамические детали в машиностроении. -Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1975. -232 с.

4. Дорожкин Н.Н., Абрамович Т.М., Жорник В.И. Получение покрытий методом припекания: Мн.: Наука и техника, 1980. - 176 с.

5. Кулу П. Износостойкость порошковых материалов и покрытий. — Таллин: Валгус, 1988. 120 с.

6. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. — 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. - 528 с.

7. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1987. - 208 с.

8. Самсонов Г.В., Плоткин С.Я. Производство железного порошка. — М.:г

9. Металлургиздат, 1957. 348 с.

10. Вопросы порошковой металлургии и прочности материалов. Выпуск III. • Киев: Издательство АН Украинской ССР, 1956. - 146 с.

11. Францевич И.Н. Порошковая металлургия. М.: Знание, 1958. - 72 с.

12. Цукерман С.А. Порошковая металлургия. М.: Издательство АН СССР, 1958.- 160 с.

13. Явербаум Л.Х. Новые процессы и материалы порошковой металлургии. -М.: Металлургия, 1983. -360 с.

14. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991.-205 с.

15. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991. - 432 с.

16. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. — 4-е изд. перераб. и доп. — JL: Машиностроение, 1990. 319 с.

17. Солнцев Ю.П., ВеселовВ.А. и др. Металловедение и технология металлов. -М.: Металлургия, 1988. 512 с.

18. Кларк Ф. Новейшие методы порошковой металлургии. Перевод с английского. М.: Атомиздат. 1965. - 224 с.

19. НТО Машпром. Вопросы порошковой металлургии. — Киев: Издательство АН Украинской ССР, 1955. 196 с.

20. Вальднер О.А., Шальнов А.В., Диденко А.Н. Ускоряющие волноводы. — М.: Атомиздат, 1973. 216 с.

21. ГольдинЛ.Л. Физика ускорителей. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 144 с.

22. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей: Учеб. Пособие для вузов. В 3-х т. Т. 2. Циклические ускорители. М.: Энергоиздат, 1982. - 240 с.

23. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники-ускорителей. Т. 3. Линейные ускорители. М.: Энергоиздат, 1983. - 200 с.

24. Вальднер О.А. Линейные ускорители электронов (Основы расчета ЛУЭ на малые энергии). М.: Атомиздат, 1966. — 168 с.

25. Чесноков Б.П. Высокие технологии электровакуумного производства. -Саратов: Изд. Саратовского университета, 2000. 174 с.

26. Применение мощных установок ионизирующего излучения в сельском хозяйстве. -М.: ВИНТИСХ, 1967. 88 с.

27. Облучательная техника для обработки сельскохозяйственной продукции (обзор иностранной литературы). М.: ВНИИЭСХ, 1970. - 116 с.

28. Жуков А.П., Малахов А.И. Основы металловедения и теории коррозии. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1991. - 168 с.

29. Суворов А.Л. Дефекты в металлах. М.: Наука, 1984. - 176 с.

30. ЛейманК. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов. М.: Атомиздат. 1979. - 296 с.

31. Шалаев A.M. Радиационно-стимулированные процессы в металлах. М.: Энергоатомиздат, 1988. 175 с.

32. Келли Б. Радиационное повреждение твердых тел. М.: Атомиздат, 1970.-235 с.

33. Махлис А.Ф. Радиационная физика и химия полимеров. М.: Атомиздат, 1972. 84 с.

34. Конобеевский С.Т. Действие облучения на материалы. М.: Атомиздат, 1967.-400 с.

35. Радиационное повреждение тугоплавких соединений. М.: Атомиздат, 1979.-160 с.

36. Займовский В.А., Колупаева Т.Л., Необычные свойства обычных металлов /Под редакцией Асламазова Л.Г. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 192 с.1

37. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах. 2-е изд. — М.: Металлургия, 1974. — 352 с.

38. Постников B.C. Физика и химия твердого состояния. — М.: Металлургия, 1978. 544 с.

39. ГегузинЯ.Е. Физика спекания. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 312 с.

40. Джагацпанян Р.В., Косоротов В.Н., Филиппов М.Т. Введение в радиационно-химичекую технологию. -М.: Атомиздат, 1979.-288 с.

41. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев.: Наукова Думка, 1984. - 328 с,

42. Физические процессы в облученных полупроводниках. — Новосибирск: Наука, 1977.-256 с.

43. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия, 1979. - 496 с.

44. Под редакцией Мак-Куина Х.Дж., Бейлона Дж.-П., Диксона Дж.И. и др., Прочность металлов и сплавов: Материалы VII Международной конференции. Перевод с английского. М.: Металлургия, 1990. - 352 с.

45. Абдуллин Э.Н. и- др. Способ получения; покрытий, ©писание изобретения к авторскому свидетельству SU №1018289 А1 6 В 05 D 3/06

46. Коршунов А.Б.,, Жуков. Ю:Н., Голубцов? И.В. и др. Способ; обработки изделий из металлических сплавов на основе железа. Описание' изобретения к патенту RU № 2 221 056 С1 С 21 D 1/09

47. Коршунов А.Б., Жуков Ю:Н., Голубцов И.В. и др. Способ радиационной обработки металлических: сплавов; Описание изобретения к патенту RU №2 221 055 С1 С 21 D 1/09

48. Костецкий Б.И;, Ирейс Г.А., Елисеев ВЩ^ Испытание металлов на износ.11 г'i- Киев^-Москва: Машгиз; 1955: 1281с.

49. Рабинович А.Ш. Самозатачивающиеся плужные лемехи и другие почво-режущие детали машин. М;: ГОСН11ГИ (Автотрансиздат), Л962. - 107 с.

50. Радиа1 щонные дефекты в металлах. Алма-Ата: Наука, 1981. - 296 с.

51. Радиационные эффекты в гетерогенных системах. Алма-Ата: КазГУ, 1982.- 123 с.

52. Радиационные эффекты в металлах и сплавах. Алма-Ата: Наука, 1985.- 220 с.

53. Радиационные дефекты в металлах: (Материалы IV Всесоюзного сове-щания^г. Алма-Ата; 44>>июня> 1986 г.): Алма-Ата: Наука; 1988; .- 192 с.

54. Радиационные дефекты в твердых телах. Сборник научных трудов. -Караганда: Изд. КарГУ, 1989. 92 с.

55. Новик А., Бери Б. Релаксационные явления в кристаллах. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1975. - 472 с.

56. Костюков Н.С., Муминов М.И., Ким Ген Чан и др. Ташкент: фан, 1986.- 160 с.

57. Упрочнение лазерной обработкой деталей из высокопрочного чугуна / В.Н. Гадалов, И.В. Павлов; Курский ГТУ // Тракторьь и с.-х. машины. — 2006. №5. - С. 56

58. Эффективность использования техники по топливно-энергетическим затратам / H.Hi Джабборов, В.А. Эвиев; СПб ГАУ // Тракторы и с.-х. машины. 2005. - №4. - С. 26-28

59. Бетеня Г.Ф. Повышение долговечности почворежущих элементов сельскохозяйственной техники; наплавкой намораживанием. — Мн.: БелНИИНТИ, 1986. 44 с.

60. Влияние облучения на материалы и элементы электронных схем. — М.: Атомиздат, 1967. 428 с.

61. Лачуга Ю.Ф., Сакун В.А. и др. Динамика' взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих машин с почвой. — М.: МСХ СССР: 1982. 50 с.

62. Плешков Е.Н. Механико-технологические процессы взаимодействия рабочих органов сельскохозяйственных машин с почвой. Саратов, 2005. -96 с.

63. Карягин В.А. Применение высокопрочного чугуна для изготовления лемехов плугов общего назначения: Дис. канд. техн. наук. 05.20.04 / Саратовский государственный' агроинженерный университет. Саратов, 1995.- 185 с.

64. Физика1 износостойкости поверхности металлов: Сб. научных трудов, ФТИ: Ленинград, 1988. 230 с.

65. КонюшаяЮ.П. Открытия советских ученых. 4.1: Физико-технические науки. М.: Изд-во МГУ, 1988. - 478 с.

66. КонюшаяЮ.П. Открытия советских ученых. 4.2: Химико-технологические и биологические науки. М.: Изд-во МГУ, 1988. - 232 с.

67. Энциклопедический словарь «Электроника». М.: Советская энциклопедия, 1991.-С. 65969 http://nuclphys.sinp.msu.ru/partmat/pm03.htm70 http://www.syktsu ru/grph/kernel/rabota7.htm71 http:// www.syktsu.ru/grph/kernel/rabota6. htm

68. OCT 23.2.164-87 «Лапы и стойки культиваторов. Технические условия»

69. Зайкин Ю.А. Дефекты и внутреннее трение в твердых телах: Учебное пособие для студентов физического факультета. Алматы, «Казак университет!». 2002. - С. 77

70. Циммерман М.З. Рабочие органы почвообрабатывающих машин. — М:: Машиностроение, 1987.-295 с.

71. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. М.>: «Советская энциклопедия», 1980. - 528 с. г

72. Ибрагимов Ш.Ш., Шанин Ю.Н., Чесноков Б.П. Исследование воздействия гамма-облучения на формирование характеристик электровакуумных приборов // Физика атомного ядра и космических лучей. Алма-Ата: КазГУ, 1977.-С. 212

73. Обработка стали нейтронами // Техника и наука. 1987. №2

74. Зайкин Ю.А. Рассеяние упругой энергии в радиационно-поврежденных твердых телах. Учебное пособие. Алматы Казак университет!, 2003. -493 с.

75. Кабардин О.Ф. Физика: Справ, материалы: Учеб. Пособие для учащихся. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Просвещение, 1988.-367 с.

76. Радиационная физика твердого тела. Сборник научных трудов. — Алматы: Издание КазГУ, 1993. 104 с.

77. Радиационно-стимулированные процессы. Научно-тематический сборник. Алма-Ата: Издание КазГУ, 1980. 157 с.

78. Физика твёрдого тела. Сборник научных трудов. Алма-Ата: Издание КазГУ, 1986.-114 с.

79. Мачурин Е.С., Васильев А.А., Родионов Ю.Л. и др. Изучение влияния радиационно-термического воздействия на свойства металлов и металлургические процессы Копия отчета ОНИР. Инвентарный номер Б 485411. Всесоюзный научно-технический центр, 1980. 27 с.

80. Мачурин Е.С., Родионов Ю.Л., Васильев А.А. и др. Изучение влияния радиационно-термического воздействия1 на свойства металлов и металлургические процессы. Копия отчета- ОНИР.' Инвентарный» номер Б 404192. Всесоюзный научно-технический центр, 1980. 27 с.

81. Крицкая В.К. и, др. Влияние электронного облучения на- состояние углерода'в мартенсите // ДАН, 186, №1, 1969 г. С. 89-91

82. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М.: Мир, 1971-367 с.

83. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М.: Высшая школа, 1983.- 144 с.

84. Винецкий В.Л., Холодарь Г.А. Радиационная физика полупроводников. Киев: Наукова Думка, 1979. - 335 с.

85. Зайкин Ю.А. Прикладные направления радиационной физики твердого' тела. Учебное пособие для студентов физического факультета. Алматы: Казак университет!, 1988. 53 с.90 // Электронная техника. Сер. Материалы. 1983. - №5. - С. 14-15

86. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М.: Мир, 1971.-367 с.

87. Dienes G.J. and Damask А.С. Radiation Enhanced Diffusion in Solids. -J.Appl. Phys, 1958, V29, №12, p.1713-1721.

88. Ленченко B.M., Пугачева Т.С. К теории активации диффузии в твердых телах под действием ядерных излучений. — В кн.: Радиационные эффекты в твердых телах. Ташкент: АН Уз ССР, 1963. - С. 78-82

89. Быстров Л.Н., Иванов Л.И., Платов Ю.М. Нестационарная радиационная диффузия в металлах / ДАН СССР, 1969, т. 185, №2. - С. 309-312.

90. Дехтяр М.Я., Пилипенко>В;В., Шалаев A.M. Изменение подвижности атомов» в металлах под действием ионизирующих излучение. В кн.: Изучение дефектов кристаллического строения металлов и сплавов. — Киев: Наукова думка, 1966. - С. 58-62

91. Шалаев A.M., Адаменко А.А. Радиационно-стимулированное изменение электронной структуры. М.: Атомиздат, 1977. — 176 с.

92. Шалаев A.M. Радиационно-стимулированная' диффузия в металлах. -М.: Атомиздат, 1972. 146 с.

93. Купчишин А.И., Потатий К.В. Радиационное дефектообразование ионизирующими излучениями, в металлах (методическая разработка для студентов физического факультета по сечениям образования дефектов). Алма-Ата, изд-во>КазГУ, 1985. 48 с.

94. Мелькер А.И. Статистика структуры поврежденных областей, созданных- ПВА в металлах и сплавах. Материалы II Всесоюзного совещания, Алма-Ата: 1981.-С. 15-23

95. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спеченных твердых сплавов.- М.: Металлургия, 1975. 248 с.

96. Китель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. - С. 116.

97. Большая советская энциклопедия 24 книга I. — М.: Советская энциклопедия, 1976.-С. 193

98. Секция «Технический сервис и электрификация'сельского хозяйства»; ч. II) С. 10-12

99. Чесноков Б.П., Наумова О.В., Федоров A.JL Перспективные технологии для получения материалов в промышленности // Материалы и технологии XXI века: Сб. статей IV Международной конференции. Пенза, 2006. -С. 3-5' 117

100. Федоров A.JL Современные способы получения покрытий из порошковых материалов // Современные технологии; в машиностроении: Сб. статей; X Международной научно-практической конференции: — Пенза, 2006.-С. 144-146

101. Федоров A.JL Ионизирующее облучение как метод повышения износостойкости материала почвообрабатывающего инструмента7/ Энергосберегающие технологии в АПК: Сб: статей Всероссийскошнаучно-практи-ческой конференции. Пенза, 2006. - С. 94-96

102. Чесноков; Б.Ш, Федоров А.Л. Повышение качества? сплавов на основе железа-// Проблемышсследования-и-проектированияшашин: Сб? статейШТ Международной* научно-технической- конференции: Пенза*, 2007. -С. 115-117

103. ГОСТ 21448-75*. Порошки из сплавов для наплавки. — М'.: издательство; стандартов, 1982. 9 с.