автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка физико-технологических основ получения износостойких поверхностей трения сопряженным процессом плазменного напыления с оплавлением для условий Крайнего Севера



жутскии государственный университет

им. М.К.Аммосова

РОССИЙСКИЙ ГОРЩЩдашй УШЗЕЕРС тж шжш и ша

, На правах рукописи

УДК 621.793.71

лебедев Михаил Петрович

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ СОПРЯЖЁННЫМ ПРОЦЕССОМ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ С ОПЛАВЛЕНИЕМ ДЛЯ УСЛОВИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

По специальности: 05.03.06 — «Технология и машины сварочного

производства»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Якутск 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА................................................ 8

1.1. Условия эксплуатации техники и оборудования в районах Крайнего Севера........................................................................................................................8

1.2. Анализ отказов узлов машин и механизмов при низких климатических температурах...................................................

1.3. Пути повышения работоспособности пар трения с учетом условий эксплуатации........................................................... 20

1.4. Цель и задачи работы...................................................... 26

Глава 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ С ЗАДАННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ............................................................. 28

2.1. Особенности формирования износостойких поверхностей при плазменном напылении...................................................

2.2. Методы повышения физико-механических характеристик поверхностей, сформированных плазменным напылением..................36

2.2.1. Обработка напыленных поверхностей высококонцентрированными источниками энергии..................................... 37

2.2.2. Порошковые смеси для плазменного напыления из самофлюсующихся сплавов системы №-Сг-В-81 с добавками

твердой смазки..................................................................................................................51

2.2.3. Свойства оплавленных плазменных покрытий из порошковых смесей с твердой смазкой........................................................................56

2.2.4. Оплавление плазмой покрытия в процессе его формирования............................................................................................................................................62

2.3. Методы исследования свойств упрочненных поверхностей............66

2.4. Выводы по главе 2..................................................................................................................79

Глава 3. ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ДИАПАЗОНЕ НИЗКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР................................................................... 81

3.1. Влияние отрицательных температур на сопротивляемость разрушению восстановленных пар трения............................ 82

3.2. Методы оценки качества напыленных покрытий..................... 85

3.2.1. Определение прочности сцепления покрытия с основой........

3.2.2. Оценка трещиностойкости системы «покрытие-подложка»

при плазменном напылении с оплавлением......................... 87

3.2.3. Исследование износостойкости покрытий, оплавленных в процессе их формирования, с учетом пускового периода при отрицательных температурах................................... 91

3.3. Пути повышения износостойкости напыленных покрытий

в пусковой период при отрицательных температурах.............. 105

3.4. Выводы по главе 3......................................................... 113

Глава 4. РАЗРАБОТКА СОПРЯЖЕННОГО ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ С ОПЛАВЛЕНИЕМ.................................... 115

4.1. Особенности расчета плазменных струй, используемых для напыления покрытий...................................................... -i 15

4.2. Смешение транспортирующего газа с плазмообразующим....... 129

4.2.1. Одномерная модель смешения транспортирующего газа с плазмообразующим.................................................... 13 2

4.2.2. Двумерная модель зоны смешения в сопле в случае турбо-лентного течения плазмообразующего газа...................... 134

4.2.3. Двумерная модель зоны смешения в сопле в случае ламинарного течения плазмообразующего газа....................... 136

4.3. Обмен импульсом и теплом между дисперсной фазой и несущим потоком плазмы.................................................... 139

4.4. Поведение частиц напыляемого материала в зоне натекания

потока на основу.......................................................... 145

4.5. Определение термического цикла подложки при плазменном напылении...................................................................

4.6. Выводы по главе 4......................................................... 158

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ СОПРЯЖЕННЫМ ПРОЦЕССОМ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ С ОПЛАВЛЕНИЕМ..................... 159

5.1. Оптимизация технологических параметров процесса плазменного напыления с оплавлением.................................... 159

5.1.1. Выработка требований к оборудованию........................... 159

5.1.2. Нахождение оптимальных условий нанесения и оплавления покрытий системы Ni-Cr-B-Si.................................. Х54

5.2. Модель расчета изнашивания плазменных покрытий для

оценки технологических параметров....................................................................173

5.3. Основные технологические характеристики разработанного сопряженного процесса плазменного напыления с оплавле- Q нием......................................................................................................................................................~ "

5.4. Оценка безопасности разработанной технологии........................................Х87

5.4.1. Методика оценки безопасности технологии....................... т_87

5.4.2. Уровень опасных и вредных производственных факторов..... 190

5.4.3. Рекомендации по обеспечению безопасности труда............ 194

5.5. Выводы по главе 5............................................................ т 96

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ............................................... 198

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 201

Приложение 1......................................................................... 225

Приложение 2......................................................................... 278

Приложение 3......................................................................... 288

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее освоение природных богатств Крайнего Севера предъявляет жесткие требования к технике и оборудованию, требуя неуклонного повышения их производительности в сочетании с высокой надежностью.

Одно из направлений решения этой задачи - повышение износостойкости промышленных материалов и увеличение за счет этого ресурса безаварийной эксплуатации. Работа техники и оборудования в условиях низких климатических температур приводит к ускоренному износу деталей машин и механизмов, ремонт и замена которых в условиях Крайнего Севера требует больших материальных затрат. Поэтому разработка и внедрение новых ресурсосберегающих технологий повышения надежности и долговечности элементов узлов машин и механизмов является актуальной задачей, особенно для отдаленных районов со слабо развитой технической базой, практическим отсутствием транспортной инфраструктуры и аномально суровыми природно-климатическими условиями.

Одним из важнейших показателей работоспособности деталей машин и механизмов в условиях Крайнего Севера, Арктики и Антарктики являются требования к пластичности и вязкости разрушения при отрицательных температурах. Определенную сложность представляет выбор необходимого и достаточного уровня пластичности и вязкости выбранных материалов. Обычно минимально допустимая рабочая температура определяется температурой вязко-хрупкого перехода, при которой доля вязкой составляющей в изломе падает до неприемлемо низких значений. Поэтому при выборе сталей для работы в этих условиях определяющими показателями будут прочность при самой высокой рабочей температуре, а вязкость и пластичность - при самой низкой температуре. Исследования, проведенные в работе, направлены на изучение поведения материалов, используемых для пар трения с высокими контактными нагрузками при

низких климатических температурах, разработку надежных методов оценки работоспособности пар трения, установление научно обоснованных критериев выбора материалов и технологий для данного типа изделий с учетом условий эксплуатации.

Эффективное повышение износостойкости деталей машин и механизмов возможно при использовании технологий упрочнения и восстановления поверхностей на базе высококонцентрированных источников энергии.

Методы нанесения покрытий определяются составом наносимого материала и условиями эксплуатации изделия. Широко применяемый при восстановлении изношенных поверхностей процесс наплавки практически не приемлем для малогабаритных деталей с износом до нескольких миллиметров и из высокопрочных материалов, т.к. приводит к недопустимым структурным изменениям в подложке и возникновению высокого уровня остаточных растягивающих сварочных напряжений, что резко снижает усталостную прочность и исключает возможность повторного восстановления [9, 13, 20, 56,114,144,179,181,194].

С развитием порошковой металлургии разработан широкий спектр материалов со специальными свойствами. Для получения оплавленных покрытий и легированных поверхностных слоев наиболее широко применяются порошки из самофлюсующихся сплавов на основе никеля. Формируемые оплавлением покрытия хотя и имеют высокую износостойкость, но не обеспечивают необходимый уровень износостойкости при эксплуатации в условиях низких климатических температур. Это связано с недостаточной изученностью механизма разрушения этих покрытий с учетом природно-климатических условий эксплуатации и, как следствие, отсутствием научно обоснованных технологических рекомендаций, позволяющих повысить их износостойкость в «пусковой» период, т.е. когда пара трения находится при отрицательной

температуре окружающей среды. Разработка технологий получения поверхностей со свойствами, отвечающими требованиям «пускового» периода с одновременным сохранением износостойкости в рабочий период, позволит предложить новые подходы к решению проблемы повышения износостойкости пар трения из конструкционных сталей высококонцентрированными источниками энергии с учетом условий эксплуатации.

Одним из перспективных методов получения износостойких поверхностей деталей машин является метод плазменного напыления порошковых материалов. Развитие метода идет по пути изучения параметров плазменной струи, поведения частиц порошковых материалов в ней, зависимости свойств покрытий от их структурного состояния. Исследование этих вопросов необходимо также для выяснения целесообразности использования такого рода покрытий при восстановлении и упрочнении деталей механизмов, испытывающих высокие контактные нагрузки. Нерешенной проблемой является обеспечение прочности сцепления покрытия с основой. Ее решение связано с поисками режимов термической активации напыляемой поверхности, регулированием химического состава и термофизических свойств плазмы, применением самофлюсующихся композиций с последующей термообработкой различными энергетическими способами.

Сложность и многофакторность процесса, отсутствие зависимостей, описывающих связь между структурой и параметрами процесса, не позволяет без предварительных экспериментальных исследований разработать конкурентную технологию восстановления и упрочнения поверхностей пар трения.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Условия эксплуатации техники и оборудования в районах Крайнего Севера

Согласно ГОСТ 16350-80 «Климат СССР» вся территория бывшего СССР разделяется на четыре климатические зоны. В свою очередь, эти зоны подразделяются на районы и подрайоны. Самым холодным районом является первый район первой зоны (район 1а), в который целиком входит территория современной Республики Саха (Якутия).

Различными Правилами и Техническими Условиями даются различные нормы и границы районирования территории Российской Федерации по отношению к особенностям температурных условий зимнего периода. Так, например, по отношению к наличию слоя вечной мерзлоты более 60 % территории России является зоной, где среднегодовая температура держится ниже нуля градусов по Цельсию. По природно-климатическим условиям эксплуатации различной техники в зимний период всю территорию России условно подразделяют на 3 климатические зоны (1 — жаркая, 2 — умеренная, 3 — полярная) и 2 подзоны (подзона особо низкой температуры и арктическая подзона). В этом подразделении территория Республики Саха (Якутия) полностью входит в подзону особо низкой температуры.

Наконец, чисто географически, территорию России можно поделить на те области, что находятся севернее (выше) Северного Полярного Круга (66 °с. ш.) и на те, которые находятся южнее (ниже) Северного Полярного Круга. В этом случае территория Республики Саха (Якутия) будет рассечена Северным Полярным Кругом примерно наполовину.

Таким образом, видно, что понятия «Севера» и особенно «Крайнего Севера», а также такие «растяжимые» категории, как районы, «приравненные к районам Крайнего Севера», нуждаются в настоящее время в чётких,

с;

научно-обоснованных, практически-применимых определениях, основанных на требованиях практики и не противоречащих здравому смыслу.

Республика Саха (Якутия) благодаря суровости своей зимы и резко выраженной континентальности климата по всей своей территории, неизменно и во всех классификациях всегда входит в самые экстремальные зоны по условиям эксплуатации техники в холодный период года. Поэтому в дальнейшем под понятием «районы Крайнего Севера» будут пониматься такие территории, условия зимней эксплуатации техники в которых ненамного отличаются от якутских. Таким образом, территория Республики Саха (Якутия) может быть признана своеобразным «эталоном экстремальности» природных условий в зимний период. Так оно собственно и есть на самом деле, по крайней мере, для всего Северного полушария Земли.

Климат Якутии отличается, как уже упоминалось, резкой континентальностью, то есть большим перепадом «плюсовых» и «минусовых» пиков сезонных температур. На полюсе холода зафиксирована температура -71° С, а в центральных и южных районах республики до -55...58°С. На юге Якутии холодный период составляет 204...209 дней, а на побережье Ледовитого океана — 225...260 дней в году. В центральных районах в очень жаркие дни термометр показывает +36...38° С, а среднемесячная температура июля составляет +17... 19° С. Годовая разница температур абсолютного минимума и максимума температуры достигает 104°С.

Суровые природно-климатические условия районов Крайнего Севера предъявляют повышенные требования к надёжности всех видов техники, эксплуатируемой в этих регионах. Развитие рыночных отношений неизбежно ставит перед наукой и производством ряд задач, решение которых должно иметь своим результатом минимизацию расходуемых ресурсов и повышение

эффективности эксплуатации дорогостоящего оборудования. От этого в свою очередь будут также зависеть темпы дальнейшего освоения природных ресурсов и уровень эффективности их переработки. К сожалению, довольно часто из-за несоответствия применяемой техники требованиям Севера, транспортной неосвоенности территории и других причин большая часть полезного эффекта, который могли бы дать природные ресурсы Севера, просто теряется, а сроки освоения месторождений недопустимо увеличиваются. Применяемая на Севере техника обязательно должна быть специально сконструированной именно для «северных» условий эксплуатации, так как она подвергается комбинированному воздействию активных климатических факторов: низких и высоких температур воздуха, суточных и годовых колебаний амплитуд этих температур, солнечной радиации, осадков и ветра, разной влажности воздуха и т.п. Повышенные эксплуатационные нагрузки приводят к ускоренному износу неподготовленных для этого деталей и к преждевременному выходу неприспособленной для Севера техники из строя, или ее непредусмотренным простоям, которые крайне невыгодны для собственника этой техники.

Низкая температура воздуха, при которой эксплуатируются узлы и детали машин, вызывает соответствующее изменение их физических свойств. Также неустранимым условием эксплуатации техники в зимний период является большая разница температур (температурный напор) между наружными частями и теми узлами, которые находятся в нормальном рабочем состоянии. Даже кратковременное прерывание работы этих узлов, например, во время стоянки, или вынужденного перерыва в работе, вызывает остывание (выравнивание температур) рабочих узлов вплоть до температуры наружного воздуха. При этом необходимо отметить, что какая-либо теплоизоляция таких узлов непредусмотрена конструктивно, так как в нормальном рабочем цикле подразумевается простой теплообмен через

кожух (корпус) агрегата, или узла. Таким образом, эксплуатационники Крайнего севера вынуждены работать фактически без какого-либо «контакта», или «диалога» с заводскими конструкторами. В таких условиях, когда «нормой» ежедневного существования работающей техники становится в сущности «ненормальная» эксплуатация, либо эксплуатация доработанной собственными силами техники, очень важное значение приобретает личная квалификация персонала и адекватное общение исследователей-экспериментаторов с прак