автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование технологии плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере при восстановлении деталей машин лесного комплекса (на примере распределительного вала)

РГВ 0/1

ВОРОНЕЖСКИЙ ОРДЕНА ДРУ/ШЫ НАРОДОВ ЛЕС01ЕЖ1ТШСКИ ЧНСТШУТ

На пцавах рукописл

ЗШСКОВ ЮРИ)! ПЕТРОВИЧ

. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНПЗ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЙдЕКНОГО 1ШКЛЗШ В РАЗРЕКЕННОд штштш АМ^ЗЕРБ ПРИ ВОССТШСВШИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА ( на призере распределительного вала ) '

05.21.01 - " Технология и глаишш лесного хозяйства и лессзэготогок "

05.03.01 - " Процессы гтсхашгаоско" и :Т-:г-1 зкко-техшнеской обработки,

сташш и -инструмент "

■\з городе рзг дкссэргокга на соискание учен технических паук

?або12 выполнена ::а кафедре Производства, ремонта' и оксплуата-)и:т." штйш Воронежского ордена друхйы народов лесотехнического инс -

дзу«а& .укоЕодатедь - доктор. уехническях наук, профессор •

«Ц.П. Отанчев

с 0;-иц;шльян>' оппоненты- доктор технических наук, профессор

З.В. Кузнецов; , доктор- технических наук, профессор В.А. Кроха

Зедуцая организации - АО " • Лесхоялаш " •

■ Защита д:к оерхацки со«д'оагся " 29 " декабря 1£93г ъ часоЕ е аудитории Ц8 на заседании Совета Д C64.CG.0I по защите диссертации ка соискание учено:: степени доктора" наук прл Вороне, в-коп ордена Дру^к народов лесотехническое институте.

Просил Ваши отзывы на, автореферат в двух экземплярах с заве -решм.п подшюяш направлять ученому секретарю Совета.

С диссертацией мокко ознакомиться в библиотеке ВЛТИ,' Автореферат разослан ",_________19С-'"< г.

(

OHM ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Развитие современной техники в лесном комплексе характеризует-: -ся высоким уровнем интенсификации рекимов и спецификой условий работы, вследствие чего из-за сильного изнашивания деталей машин снижав тся их долговечность и работоспособность.

Восстановление изношенных деталей и возвращение км высотах эксплуатационных свойств, утраченных вследствие износа, предусматривает главную цель - реализацию их остаточной долговечности.

Среда перспективных.способов восстановления и упрочнения деталей одно из ведущих мест занимает плазменное напыление.

Плазменное напыление в разреженной контролируемой атмосфере '( ПНРКА ), как разновидность плазменного напыления, кокет предопределить, перспективы использования е производстве, благодаря получению защитных покрытий без окислов с повышенными фязнко - ь:е:а.кпчес-кжи и эксплуатационными свойствами.

Цель работы.

■ Достичв'. повышения долговечности деталей машин лесного коми -лекса за счет их восстановления на основе технолога* плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать процесс комплексно;» предварительной педготовп-. поверхности. Дать математическое описание гли.пп^я сснсхишх тсуноло-гичеекпх режимов на выходные параметры качества обработки'з вякг-регрессионных уравнений. Получить' оптякалыпге резиш.

2. Исследовать процесс ПКШ. к разработать его гатвгтагичесяое описание" в виде регрессионного г/равнения, позродящзе ^правлят;. качеством ггокрытпя.Определить олгпгальяке рэкпг.'ы процесса ЛКРКг..

. 3. Исследовать основные '".;.:зико - псхвгогческшг и эксплуатационные свойства покрнтпП яз ск:а?таеугг,ггсся сплава спсгг.-:' :!;• л-'полученных.на основ« технолог;:;; ПРПСА..

Разработать ге^;олоп:!:зс;;':\1 процесс воссгяновлппя лстал'-v. :лесного геттлр.чоа папглен'.;с:: в кочт; о-

лтрусго.'; атмосгТзрэ ( :rj примерз рчепр..;-,злите;:*:;огз ), • ;-!к;.з

o'îopyncssints и ссвоотку 2ПЯ 5c:'v;crL>.T,;r.v: у того нре^л:::: ■

5, Прспзгзсг:: печтпленне ::а л'.лиу::: .-.с.т г

грнгорного и автомобильного ::о г: аз^гнп ГЛ-Y.:-. :: оценить

их долговечность по результатам эксплуатационных испытаний.

6. Произвести.технико-экономическую оценку эффективности технологии 11НРКА в ремонтном производстве.

7. Разработать рекомендации по использованию результатов работы в производстве.

Методы исследования включают обзор и систематизацию материа -лов о применении технологии газотермических способов нанесения защитных покрытий по литературным источникам, определение условий, влияющих на получение покрытий повышенного качества, исследование влияния технологических реншов на состояние получаемого покрытия, обработка полученных результатов математическими средствами с ис -пользованием ЭВМ, а также их подтверждение эксплуатационными' испытаниями.

Научная новизна заключается в построении регрессионных моделей позволяющих установить влияние технологических рекимов комплексной предварительной подготовки и процесса ПНРКА. на состояние поверхности перед напылением и качество покрытий ( пористость ), а такке определение причин, способствующих получению повышенных физико-мэханичес-ких и эксплуатационных свойств покрытий БИРКА, из самофлюсующихся сплавов, которые ранее не исследовались и представляют научный интерес в развитии и обобщении теории термодинамических, физико-технических процессов и триботехники.

Практическая ценность.

■ Проведенные исследования положены в основу рекомендаций, но выбору технологических рохгыов технологии ПНРКА. при восстановлении из-посеняих деталей манны лесного комплекса. Полученные данные могут (Г'.'гь использованы для иозыне^ил долговечности деталей маши, работав аналогичных пли близких условзшх трения и нзпашвашщ.

Реализация рлботы.

Результаты исследований били проверены в лесхозах п. Графская :: г. Гогучага Вррокекокой области и подтвердил:; качественное -совпадение с лабораторной доннк.3:. Последнее поеЕодясг г.экоглен -

довать расширить номенклатуру деталей восстанавливаемых ИПРКЛ.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены н обсуцдены на научных конференциях: Ш1Ш г.Пушкино Московской областп-1989г; " Износостойкость машин " г. Ерянск-1991г; " Триботетаса-^ашглюстроскх'.о" г.Н-Новгород-1991г; материалы по установке 1ШРКЛ Лш'.'арвдогзгде-ны на выставке "Вузы России-маыиностроенкю" ло КН'Ш "Восстановление", г. !>1осква-1593г.

Публикации.

По тепе диссертации опубликовано 1С работ, подай; 2 заяшг.: на изобретение ( I пожокнхсльнос рекенке ), отрагакдие результат;: проведенннх : 'сследованЕи.

Объем дзсссргацш.

Работа состоит ::з гвсдсппя, о разделов и прилошкш. Ссггоспс.! материал изложен на 155 страницах, вк.ччает II таблиц, :гллгсгрч">-ван 29 рисунками; список нспользозаняоЛ литератур:,; содвр:с;у 107 ;•:> именовании.

• ■ СОШДНВВ РАлО'1]!

I. Состояние вопроса, ¡¡ель и задачи исследования.

Рассмотрена эволпцпя газотержческого способа нанесения ло1:р'-гн;; и его применение в различных отраслях ттролнплс-гшсстл за рубг-;::о:.з и в наасй стране.

дан анализ ^пзико-иеханкческнх сво^сгз и гзносостопкосг! плазмепннх покрнтни из само'~\тлсу:щпхся сплавов.

Било выявлено, что се.гоТашсуэдлсся сплайн тина ГТС?-!- обладают саз.юл низко:! износостойкостью из всех пэвестнмс анрнкздсонкзги г.;аториалов. Однако, для деталей ии лесного комплекса, работай-здзх в различных условиях зтого значонзг: износостойкости З'лолке достаточно, а сравнительная низкая стозтзосеъ ПГСР-4 дает болт1.'с_". пр-н-о-тоо приз/гене ни ч ого в практике,

Существуп'лие способ:,' оплавления сппО;;лису:/дгхся !*з г :•.-.: алг.п ззззепт недостаток, присуг;:;!: неси вкдг:: тесзлкг-'скон сЗрабо'Т'.-иен:;-- ; геннззе сотлтоткке термически'; напгя:'енги. 1-кло чокании. зг:з:~ к.глонпе дсио'ззпзтельззого олек д'-"." H3.-r.o~o к':;:-;--: [ тргн ; т з^ездене

пг.'ззводд.т к с'зззззззнзн" го "л т-т с.-т.г. кзкдл г.у.:\:'.:

пел сохронея:и: лчооьлх Гззззлз::;-'"ззнззззз-'созззззз с:о:.'отв.

Установлено, что гр-зкзеззиз: злеззз'зегз /а:, ^-дка в г- чг.-ззд-

варпхельноз! педготоп;;и поверхности .дерен нгн-'-лгкке:: ,:о>\ 1 ••• г о>> ' ■ректизноегь удаления оззззенззг з'ззеко;:, когорге , рилгР--

н:н> прочнол *>дгоз:мнно>1 сил.-"-:.

Был исследован способ плазменного напыления в разрешенной контролируемой атмосфере (ПНРКА), который показал реальные возможности повышения качества получаемых покрытий. 1 Рассмотренные условия повышения качества плазменных покрытий привели к выводу, что наиболее технологически.! и эффективный способом повышения активности явлении, происходящих в контактной зоне является применение защитной атмосферы пониженного давления при включении в процесс дополнительной электрической дуги. Это приводит к максимальной активации подложки, увеличению скорости и температуры напыляемых частиц, а также предотвращает протекание окислительных процессов. Последнее является причиной увеличения адгезионной и когезионной прочности, уменьшения остаточных напряжений, пористости, повыления износостойкости. Произведена постановка вопроса и определены задачи исследования.

2. Методика исследования. - •

■ рассиотрены вопросы общей методики исследования и частных методик по определению технологических параметров процесса,^проведению металлографического и рентгеноструктурного анализа, физико-механических свойств и износостойкости покрытий, а также методика обработки результатов экспериментов.

Представлена схема установки ПНРКА., её общий вид и основные конструктивные элементы. Проведено обоснование разработки экспериментального оборудования, рассмотрены.устройство и принцип.действия.

Разработана экспериментальная опытная установка ПНРКА в полупромышленном виде, позволяющая напылять покрытия' как на лабораторные образцы, так и на детали.

' 'Особенностью конструкции данной установки является использова-* ние специального водооулакдаемого коиуха, который позволяет увеличить дистанцию напыления до ГЗСО мм, уменьшить термическое влияние плазменной струи на основной материал и покрытие и сократить геометрические размеры установки, её металлоёмкость.Размещенный в предварительной камере электрод для очистки окксных пленок, позволяет максимально интенсифицировать процесс очистки, так как виол-пен в вице алкпшиевой полутрубы.

На рис. I представлен о<Зхкк11 вид установки ПИРКА.

Рис. I Общий вид установки ПНРКА. 3. Обоснование выбора оптимальных технологических режимов Абразивно-струйная обработка.очищает поверхность от различного рода загрязнений и, в го же время, приводит её в напряженное деформированное состояние, характерными признаками которого является искажение кристаллической решетки, искривление плоскостей и т.п. Сильно развитая шероховатость поверхности способствует лучшему зацеплению расплавленных частиц за неровности, приводит к повышению механических сил и как следствие-увеличению адгезионной прочности.

Задача исследования влияния параметров абразивно-струйной обработки заключалась в получении аппроксимирующих функций и графиков однофакторных моделей, принятие уровней и интервалов-варьирования; • После чего методом планирования эксперимента получить регрессионные уравнения зависимости шероховатости и абразивного износа подготавливаемой поверхности от технологических параметров процесса и определить их оптимальные значения.

В результате анализа были определены основные технологические параметры процесса абразивно-струйной обработки, максимально влияющие на выходные параметры: дистанция обработки, размер абразива, давление в пневмосисгеме, время обработки и угол атаки (наклон абразивно-струйного аппарата). '¿тш параметрам были присвоены соответствующие кодовые значения: ХрУ^.л^д^,;^. Графики однофакторных экспериментов представлены на рис. 2

Ш*

44

571 Я 8

I' 1 I

я-

I

■м

V

я

\в

и 90 ДО1с

; А'

. «мг

44

12?

л ©вой

вппопяс;-

ЖешЖШШ

д

. Рис . 2 Блияпие факторов процесса абразивно-струйной обработ-';/• :. ки .на глубину проникновения частиц абразива (дА ,мки ): а-дастанция обработки, 4 ; б-дааметр абразива,с^; ' в-давление э даевыосистеме,Р ;г-время. обработки, £ ;

• ' • • ' д-угол атакг, <1

Качественный анализ результатов однофакторных экспериментов показывает, что.глубина проникновения частиц абразива в поверхность ¿к, как показатель шероховатости, увеличивается о повшевн-!ем давления в пневмосистеые Р и времени обработки Ь ( рис. 2 в,г)1, ото объясняется возрастанием окорости абразивных часгиц, которая связана о давлением в пневиосиствме зависимостью:

рПн\-: р - давление.в пневмосистеые;.

, рл - плотность энергоносителя ( скатого воздуха );

а - суммарный коэффициент потерь частицы абразива, обладающей скоростью, совершающей работу по дефорлации поверхности поверхности

Увеличение времени обработки £ приводит к большому числу элементарных актов соударений частиц с поверхностью, что повышает-значение глубины проникновения ьИ. Однако, при дальнейшем увеличении времени обработки Ь усиливается процесс абразивного изнашивания поверхности образцов при постоянном значении &И. .

Уменьшение' глубины проникновения йИ при увеличении размера абразива объясняется уменьшением величины удельного давления при взаимодействии частицы с поверхностью ( рис. 2 6). Наличие на кривой ( рис. 2а) максимума говорит о ,том, что для данной геометрии сопла существует оптимальная длина разгона частиц абразива от среза сопла до обрабатываемой поверхности, при которой скорость частиц будет макет,ильной. Спадающая ветвь кривой объясняется уменьшением плотности потока абразива и их распределением по пятну обработки. При малых дистанциях обработки частицы абразива не успевают набрать максимальную скорость и, кроме того, исг бывают столкновения с отраженный* от поверхностями частицами. Максимум на кривой ( рис. 2 д ), на наш взгляд, объясняется преобладанием в интервале углов 30...85 градусов поцесса абразивного изнашивания, а причины увеличенных глубин проникновения ¿И можно объяснить различными составляющий! силы удара абразивных частиц о поверхность.

На основе результатов однофакторных экспериментов были выбраны основные уровни и интервалы варьирования в области близкой к оптимальной. После чего осуществлен полный факторный эксперимент, позволивший получить регрессионные модели вида:

для глубины проникновения абразива

У {¿А) = 30,731 - 5,281X3- - 5,2в1Х2 - 12,231X3 + 8,200X4 ~

- 1,431Х5- о,406Х9Х3 - 3,С31Х.Д'4 + 5,781^Х4 ! ' + 1,431X4X5, ~ (2)

для абразивного износа ( потери массы )

У ) = 19,3 - 1,778л-,- ~ 7,347л2 1 12,872Х3 + Ю,5С9Х4 -

- 3,778X5 - З.бЭП^з - З7о53Х2Х4 + 6,428Х3Х4 -

- 1,859Х3Х5 - I, ОЭТ^Хд, ( 3 )

После проверки-моделей на адекватность были получены -

яне технологические ^е;кд1ти йби^зизио-ег/; Л;о/. ос>аеог:-..:..

После проверки моделей на адекватность были получены оптимальные значения технологических режимов абразивно-струйной обработки.

Применение комбинированного способа предварительной обработ-кк поверхности перед нанесением покрытия, то есть совмещение аб-разивно-струйкой обработки и очистки окисных пленок тлеющим разрядом в: единой технологической цепи, предусматривает изучение . ЪШЩния параметров тлеющего разряда на эффективность очистки поверхности и' определение их оптимальных' значений. Ооновные параметры очистки тлеющего разряда бши определены ранговым методом в со- ' ответствии о бкспертцыми оценками. Ранжирование показало, что оо~ . новными параметрами, оказывающими максимальное влияние на эффективность очиоткй, являютоя: плотность тока ^ , давление в вакуумной Г камере Р , напрякение разряда И , время обработки { и .расстояние мевду электродами I , Этил параметрам были присвоены соответствующие коды : Хр ^ • »^ • После предварительных экспериментов было установлено, что очистка поверхности от окисных пленок улучшается при использовании постоянного тока в остаточной атмосфере .азота и алюминиевого цилиндрического электрода. Алюминий был выбран о.учетом минимальной работы выхода электронов. В дальнейшем : эти факторы поддерживались постоянными.

В качестве критерия эффективности очистки поверхности от окисных пленок был выбран косвенный показатель ^ краевой угол смачива-■ ния. Влияние выбранных параметров процесса на краевой угол смачива-;.ния представлено в виде графиков однофакторных экспериментов на

Из рис. 3 а следует, что оптимальная область изменения плотности тока находится в пределах 1,0...2,0 мА/см^, Однако, при плотности'тока более 1,8, мА/см^ из-за нагрева обрабатываемой поверхнос-• га начинают проходить процессы окисления и результирующий эффект ■удаления окисных пленок уменьшается. Аналогичная зависимость наблю-. далась при-изменении интервалов времени обработки (■ рис. 3 б., в ).' -После-90 оекулд обработки угол смачивания практически не менялся. Это ¿объяснявгея' процессами распыления, электрода тлеющего разряда и > час£1саднм загрязнением обрабатываемой поверхности.

Г Изменение напряжения разряда при плотностях то|<а 1,0...1,5 ^ык/огГ' незначительно влияет на э^екгавнооть счистки. Однако, с во-■вкш?щ;вм разрядного'напряжения, энергия' ионов, бомбардирующих по'-

верхность, увеличивается, а мштлальное время обработки при удов- ^ летворителыюп очистке поверхности ( & = 24°) уменьшается ( рис. Зд).

& Ш I? а

а ' "

М ШЩс

'13 ¿0 120 160 и

0,1

20 10.

г

1=

р

а

№ ■10.

ст даз е доо ii.fi-

д

О

2?

Г0.

I

\

1 8 И Ы

Рис. 3 Завпсплость краевого угла смачивания от параметров процесса обработки тлеюкэт разряде:." а- плотность тока, ^ ; б.в-зреия обработки, <- ; г- давление в камере, Р ; д- пепр-т^нке, (I : е- расстояние мег.ду плекггогд:.п / Это поло'"!тел:,тю сгазкзаетсл «а экономичности процесса очист-

ки.

Изучение зяктагл .«аэяегжя г- кглепо нп ©;чгчкпгокэсть очпегкг. показало, что су::'ест::7';т липе.!;"1., сзк:ст":осп- ~рэспогс:тлч смачи-

г°нля ( б ) от :;ес;п'1т::-:о1 о л о?;

■ ¿.'з 'Г";:г

О

( р::с. 3 г ). Нзп-

Сатео ептнтлт-нг? птачергт: ':~ллется г.:шлгя::<- п о&юсг: ЯЗ... 13 На.

При исследовашл зависимости краевого угла смачивания от расстояния ые;.эду электрода;,и I ( рис. 3 е ) во внимание " . принималась взаимосвязь остаточного давления, потенциала зажигания разряда и мекэлектродного промертка. При малых значениях ыек-¡злектродного промежутка в значительной мере интенсифицируются процессы тепловыделения на обрабатываемой поверхности, чю с.ослабляет эффективность очистки. Незначительное увеличение нового угла смачивания при расстоянии между электродами более связано с ослабление;; частоты бомбардировки попала обрабат,.'_>-7-ло& поверхности. ОпкалйльноП областью изменения иекздектродкого лро-ыскугка считается В.. .10 мл.

На основании однофакторгшх экспериментов были определены основные уровни и ннгерваш иарьированнл ¿акторов в области близкой к оптимальной.

После построения метрики планирования многофакторного эксперимента и проведения опытов било получено регрессионное уравнение зависимости краевогоугла смачивания, как показателя состояния поверхности ( без окислов ) перед напылением, от технологических параметров процесса очистки:

У {& ) = 15,6811 - 5,370X3- - 1,791X2 - 1,2083Х4 + I,З75Х5 + + 1,0743ХТХ - 1,2С07ХтХс: +• 1.4533Х? 2,5ЭС8Х^ + + 2,338Х| -г 1,8325X2 -1- 2,5508 Ц, ( 4 )

Выбранная модель ( 4 ) соответствует условию адекватности.

Методом экстремального планирования получено математическое описание зависимости краевого угла смачивания от технологических ре-¿залов процесса очистки от окис пых пленок, позволяющее производить раздельную оценку какдого фактора и управлять состоянием поверхности. Были определены оптимальные'значения технологических ре;,аилов , при которых краевой угол смачивания составлял 10,1 + 1,5 градуса, что говорит о максимальной эффективности очистки окисных пленок.

Условия, при которых осуществляется процесс плазменного напы-лония, в равной степени с предварительной подготовкой поверхности оказывают непосредственное влияние на формирование и качество бу-дующего покрытия. К одному из основных свойств, характеризующих качество покрытия, относится пористость.

Пористость покрытий ПНРКА продставляег слопши объект исследования,' изучение которого связано с решением ряда задач, в том числе: формирование перечня параметров процесса ППРКЛ, оказывающих влия- . ние на порпс1ость;план11рсваш1е и проведение эксперимента на объекте исследования; построение математического описания,позволяющее упавлясь значением пористости при изменении входных ( технологических ) параметров и решение задачи оптимизации.

На первом этапе были впбраны те дакторп, которые оказывают наибольшее влияние на пористость: модность дуги плазмотрона, расход плазмообразуюдего газа, дистанция напыления, давление в камере и дисперсность порошка. После ран;л:рования им били присвоены соответствующие кодовые значения: Xj,,,X.,IV.

Результаты одноДакторного эксперимента позволили определить зависимости и характер влияния зтпх параметров на пористость По покрития ПНР1\А и.з самоДтисундегося сплава ( рис. Л ).

Анализ зависимости ( р::с. Да )показал, что j исследуемом диапазоне с ростом модности дуги плазмотрона // пористость По уменьшается. Это связано с тем, что увеличение модности приводит к повышению эффективного нагрева напыляемых частиц, находящихся в высоко-температурной-зоне, а следовательно, и интенсивному теплообмену медду частицами и плазменной струе!!. Данное явление так;:;о вамно ввиду того, что разрешенная среда способствует сокращению зреиеш: пребывания частиц в высокотемпературно!! зоне. Скспернменти показа ли, что при мощностях менее 5 кЕА происходит ухудшение прогрева частиц в разрешенной среде. Эти условия оказались доминирующи::! над эффектом увеличения скорости частиц, поэтому значения пористости были болте, чем при напылении в нормально." атмосфере, где скорость частиц меньше, но эффективнее их нагрев. При увеличении мощноеш более 25 кВА процесс э.руектквности нагрева частиц, находящихся в высокотемпературно:": 'зоне, был настолько велик,что происходило выгорание химических элементов ( бора, кремния ) и увеличение пористости материала покрытия..Доказательством зюку слу;.л!т характерный изгиб на криво:'! ( рис. -1 а ) в данно:: области.

■Изменение расхода плазмообразующего газа ( азота ) Q в ;гн-тервале ( 0,5...1,5 окаэгааго ксныгее влияние на 'измене-

ние пористости, чем модность дуги плазмотрона ( рис. !б )

¡0

ъ

с/,МКМ|

1.0 20 JO 40 №

Г д

. Рис. 4 Зависимость пористости покрытий из сплава ПГСР-4 от параметров процесса ПНРКЛ: ■ а - мощность дуги плазмотрона, (J ; б - расход члазмо-образугщего газа, й ; в - дистанция напыления I. ; г - давление в камере, Р ; д - дисперсность пороши, d .

Это связано с условие!.; баланса в^протекании тополимпческпх реэкц::?.. 3 интервале ( 0,5... 1,2 )Ю~ом0/с наблюдается лпнеИнкд участок, спадаюиую Еетвь. Крог-ю того, повышение расхода

азота более благоприятствует протекании процессов, описан-

ию» рчве. .С прсвисением расхода более 1,5 TlPVVc происходили сбои б работе пдззлот] енэ, что приводило г увеличению пористости.

При исследовании влияния дистанции напыления L ( рис. 4в ) на пористость было обнаружено, что о ее увеличением происходит■ • постепенное понижение температуры частиц и их скорости.^Это, в свою очередь, приводило'« увеличению значения пористости. Так, при дистанции 45G ш начинается образование изгиба на графике и дальие&цее его крутое восхождение. В наших исследованиях при дистанции напыления менее 25С ш плазменная отруя достигала основного материала, на которую оседали напыляемые частицы. Температура в зо' не контакта повышалась до точки плавления материала частиц, и они, не успевая кристаллизоваться, стекали с поверхности напыления. Покрытия не образовывалось. Таким образом, было установлено-, что критическая дистанция, при которой частицы находятся в расплавленном состоянии и обладают достаточной скоростью для образования прочного сцепления и минимальной пористостью, находится в интервале 250...400 ш. Было установлено такие, что данная дистанция напыления тем меньше, чем дисперснее частицы и tío; лле давление за срезом сопла плазмотрона'.

Из рис. 4г.видно, что в исследуемом диапазоне изменение дав--ления Р за срезом сопла плазмотрона ( 5...40 кПА.) оказывало слабое влияние на пористость напыляемого сплава ПГСР-4 и прсйло линейный характер. Танке, ясно, что как только для некоторых заданных скорости частиц и дистанции напыления понижение давления з камеди ухудшит эффективность нагрева частиц в высокотемпературной зоне, начнется увеличение пористости По и будет тем интенсивнее, чем вц-ше дисперсность напыляемого материала. При давлении в камере более 40 кПА частицы напыляемого материла начинали терять скорость и .затвердевали раньше, чем происходил их контакт с основой. В результате значения пористости сильно возрастали..

Анализ ( рис. 4д ) показал, что увеличение дисперсности частиц d приводило к увеличению'пористости По. Отсюда, при дисперсности частиц от 60 мил и более, происходил мечький их нагрев из-за короткого времени пребывания в высокотемпературной зонеДило установлено, что часть частиц порошка неполностью расплавлены и подлетали к подлоге почт:', в остывшем виде. 3 результате чего :ix прочность сцепления невелика. В этом случае пористость По была больше, чем при напмлании в открытой атмосфере. При дисперсности пороика менее 'Л: ыгал появлялись эффекты вигораш-г: и лспарешш x::.:;í4cc::.ix элементов из напыляемого материала. Б обоих случаях troiic-; пдг.г речь о нссостоявпился пскритнп.

• ' 16

ПровекекныЯ анализ одко£лкторных экспериментов позволил определит степень и характер каждого параметра,влияющего на пористость, ¡.¿е годом полного факторного эксперимента получено следующее математическое описание зависимости пористости от технологических-. реш.юв процесса ЩЕКЛ. в виде уравнения регрессии:

У.Ч Но ) * 2,51 ■■+ 0,405^ + 0,253-0,206Х3 + 0,1Х4, ( 5 ) ■Анализ уравизния показывает, что снижение пористости необходимо- добиться увеличением мощности дуги плазмотрона, расхода плэзмооб-'.разуущзго газа и давления в камере ц, в токе время, уменьшения дисган > тда. Цоаду те;:,-выбор оптимальных пеклмов процесса 1ХКР2СД. путем кру,. того восхождения позволил снизить пористость напыленного материала 1С 1,5 до 0,9

4. Изучение физико-механических свойств плазменных покрытий ■ Зизико - механические свойства покрытий из самофлюсующихся оп-'} лавов отражают $вдпку атавдоинке характеристики упрочненных деталей. Рассмотрению подверглись прочность сцепления, пористость, микротвердость, структура и износостойкость. Екло установлено, что при оптимальных решлах напыления количественные значения адгезионной прочности. Составляли 177.. .197 ;,1Па и занимали промежуточное положение меаду неоплавленнда и оплавленным состоянием покрытия. Кроме того; выявлен характер распределения и уорла пор, присущих недооплавлен-ному состоянию структуры покрытия из саглоГлюсутлцегося сплава. Раздан пор в покрытии ГШРКЛ. ¡составлял до 6 ..;км, а поело обработки до' полнигедьнш электрпчссга-ш разрядом - 1,5... 1,57 мкм. ¡,1еталлограГ.п-

«скли оентгенос-труктурным анализами установлена модифицированная ■ структура-ПНГКА. ( болер' пластичная, мелкозернистая, компактная без ' окислов ) .ижротвердость Тс.гаг покрытии составляла 2,6... .4,2 Ша ■ в:переходной зоне " основа - покрытие."; на границе раздела со сто-ронк покрытия ГЦа; в сере,дине и на периферии покрытия -

• 3,74..,0;8&'ГПа ( рис. 5 ).. При э,то;.» г.шкротвердооть основы почти не изменялась к находилась в интервала' 1,52...£',97 Ша_, что подтвзрх;.' . даст существование" самых ьганимальных оотаточных терыдческих яапря-. чеиии,; Рентгеновским анализом установлено прпсутствио в покрытии ШРКА.'из самофгазсущогося сплава следу щмх фае: тверды! раствор на ;осногч; никеля .), карбиды хрома (О^С6 иСггСл), 'бориды никеля

ц х^иа ,&6) ц силициды никеля дуэ.

Peg. 5 Сравнительная ззрактегкстпка ?пкроте е ндс с ти пгазяегпгпг: noitmrxZ из С21^а^.тгсу;';;егося сплава ПГСР-4:: I - зона основного яатегсала; 2 - переходная зека;, 3 — зона ncirpuTiin; а - ШИ без ошаггешш; б - ЗНА сплавление в печи; в - ПК! сплавленке гогедзоД; г - ПНА оигавлеиие. 53*1; д - ПИА опханлеЕге в соллх ¿арзя; е - ŒiEIà обработка досолтгтелитк:? зре;;трлчес;г:л гззгягдо . Это подгаергдзег неизменность кагческсго сссгадз, а, елгдогг.-гельво, сохранение внссгпгг зкеплуагацкенею: свойств дачкего ■ ала. Шкропскэ-гения кгасггллггчесгоЛ. репегю: бшг: в 1,55' рзза-ыеш — те по сравнешгп с оклаелеентх еонгцтейгп. ¿то вакаг-ггаег. пслссл— тельное влжппге дополнительного гзеряда ггз структуру сплава ,

что

ЧъС

ли,

НОС из

те.Ч

и свою очередь, является причт-шоп повышенных (физико - механики:; и зксплуагацпонных свойств. • ......

Результаты сравнительных испытании на износостойкость показа-чте покрмткя ПНРКА при схеме трения "диск - колодка" хмели из-2 среднем в 1,09...-1,27 раза вше, чем оплавленные покрытия того -¿а кате риала во всем интервале удельных нагрузок п скорос-дстиранкг! ( рис,- 6 ).

а 6 в

■Рис. 6 Зазпс:п,гость износа от удельной нагрузки при изнашивании ыасляно - абразивной прослойкой по схеме "даек - колодка": а, б, -в -.скорость скольжения 0,78, 1,3; 2,6 м/с;

I J сталь 45 ( до 58 НРС„ );? -'покрытие 1ША; 3 - пок-( и

рытие ПНРКА; ч - покрытие ПНРКА, обработанное дугой;

• 5 - покрытие ПНА оплавленное. С увеличением удельных нагрузок с 2,5 до 3,75 Ж1а износ у покрытий ПНРКА был на-8,5 % меньше, а коэффициент трения составлял 0,019...0,215, что указывает на высокую приспосабллваемостъ структуры ПНРлА..к лгтменению условий истирания.

• Результаты показали, что икпос у. покрытий ПНРКА при трении по схеме,"диск - диск" ( рис. 7 ) в среди с:/ был в 1,43.,. 1,09 раза меньше, .чем у оплавленных покрытий из того ис ■ материала ПГСР-4. Сто обусловлено более вязкой и пластичной структурой ПНРКА, свободно;! от окислов.Вместе с тем износ у оплавленных покрытий характеризовался охрупчиванпем и скалыванием их ¡фрагментов под дей-отьдйм больших нагрузок. \

Рис. 7 Зависимость к:.-носа от удельной нагрузки пру. изнашивании масляно - абразивной прослойкой по схеме "диск - диск":

а, б, в - скорость скслъ;::егп1Я С,73; 1,3; 2,6 м/с;

1 - покрытие ffilPIÍA, обработанное электрической дугой;

2 - оплавленное покрытие ПНЛ. ,

дальнейшие исследования хзнэгшзэнил покрытий ПНРКА о.закрепленный абразив позволили установить, что средние значэнкя износа при удельной нагрузке 10 1.21а бгагл в 1,3 и 1,53 раза меньше, чем у оплавленных покрытий ПНА и стали 45 с твердостью до 53 НКСЭ соответственно ( рис. 3- ) .Это является доказательством преимущества нотифицированной структур:! ГЕНРКА и делает возможным прп.тенепне защитных покрытий для упрочнения деталей, работающих в различи» условиях эксплуатации.

5. Реализация технологии ШЯй.

Из всей номенклатуры восстанавлязаемах деталей распределительный вал дЗС работает в самых тяг-.елых условиях, s его кулачки воспринимают большие знакопеременные дкнамхчсс:гие нагрузки.

Анализ условий работы кулачков позволил установить, что сопряжение кулачок - толкатель з?оспр:\"тает контактные ;:зпр.;::.сс«н;: до 5L-C ЙИГа и ударные нагрузки г,о 170 :Дз. При это:: ::~нос :;';.',' ков находился з и:::ро>-<?'-' лчт.'ргялп ( С.03., .1,5 к бело:-.

Причем наибольшее з::ячс-Е"т:\ пекссги ;:г< ее::у п?б?гл'::';

и вершину кулачка. :1рн эта: о --гг-ил^я ."с.псст'- "'.гн.г'гок:'-:.алзсь до 5 '.>, а расход гол;'::::;: 'р"-::-и:?г;:с:: РО тою,

било выявлено, что пзгез кулпч.-'Сл 1:г:п:од::: у г. ;:'.ч:::>.;: " г'юсь

я«

¡8

15 14 12 Ш

25 5.0

б

гПйШ*

Гавискггость износа материалов от удельно:! 4 нагруиж к ьшфегогоишй абразив:

а, 6; в, - зернистость абразива CG, 2L0, 40С иш;

X - покрмтпе ШРй.\; 2 - оплавленное похгрнше SL\;

5 - сталь -IÖ закаленная ко 50 цилпндро-пор;л-с;во.\ группи. Бело установлено хггсло, что у глхо-ходтшх дизелей тракторов кулачки кулачки нзнагшатогоя в 1,5 ...2 раза бьст'се. ■ •

■-.го погволлло сделать вывод о тог, что прем^овремашшх взносов кулачковтломло тгаб&зяь, если яркленятъ перспсктиБНШ-: способ восстановления изношен;-ш;с псвсрхнсстс:; пяа.;:лсинш напыление* в роирепхпко" контролируемо'; атмосфере, при котопои" гарантируется высокая износостойкость и самое .'.сяг-иашюе термическое влияние на основной материал детали, искл.лишео ее дефор-TSHEK).

' -На основании яров здешни: экспериментов были разраСстшпг оспоЕкме полочеккл технологического процесса зосстанонлсння.со-;:ер;:;з:н;2 'три стад;;:; обреботабразивно - струйная 2 сочетании с очисткой окисни;: плело:; тразрядом, процесса ненткленил и исс;:еду;ол^;э мехапичеснуу обработку илиГозакие:;. 7; с вяз:.: с опил ре' 1-с;л9пДу:отсн -следу^ие сшг.гнлльпг.е технологу.чзс^пе р-пннп, псзясля-максимально кезиептн оксалуотадюикис srnuiiep-ci'u-s: есссгс-чаЕИЛвкемнк дотоле.!:

для абразивно - струйной о бг&бо Л-злси::с з плсЕгссцстепз, Г.21а ь,5

дистанция обработки, ;лм ОС-

диаметр- абразива, ми 0,5...0,0

6

время''обработки, о угол атаки, грзд

6С 80

для очистки окисных пленок тлешсзл разряде*.: плотность тока, мА/см2 1,4...1,6

напряженке, В ОСб

давление в камере, Па о,5...3,8

расстояние меяду электродами, ми 8...8 время обработки, с 30...ЮС

для процесса напиления

мощность дуги плазмотрона, к1!А' ,

расход плазмообразугщего азота, м°/с 1,16 10"°

давление в.камере, кПа 20

дистанция- напнленпя, ш 380

для операции влиооданпл

частота вращения круга, мкн~'- 25...30

скорость резандц,' м/с 30...41

поперечная подача, шДв.ход .С,,СС5

В качестве абразивного м'П'снлпла следует ксисльзсзать элмаз-п»з круги марки с зерпкегоетт,: ■ 333/ХС. па металлической слизи-Д013.' * ■

На вине-приведенных режимах' б'\ла восстановлена партия распределительных валов от двигателей - 1-1 л ¿«С - 230, до горке впослсдствне происдилп зкеилултагдоинге испнтенлл на трьл-"лолтим тракторе 1д7 - Зол в Горенс-полол мехлсолеас 3'р:Гскгл :: на автомобиле лесовозе "ЗАЗ в условии:: лесхоза Доллара Зсрочс,л:ло'' обтает:;.

3 результате лснитантя било установлено, иго исс/л' 113'.. лотл-,часов наработки трактора 'ДЛ' -- Зт.,. и 37333 к:: пробега .гпсг>; о; а КрАЗ изпсс "куллчд'в р::енр'?д-:ллт<лтл-' и ¡-тлев сг-глл:;;::-; 1..33... 0,СЗ ;т:.

Сделка ктлеот:-.н лссогател.л. ::*:: дети лрт: зло:■ "-с ло искатели составил .3,7,: по ерт.-'лл ■ с нал:;."., т ,;: нил подтвердили впеокит р и: :с - л . а и лет:: ел-стоЗкгстд пок"":т::". ЗПГЗл л ел -"3 ■ тутлллс. ей. Гаснет оконсмлч'олт!. • - --со- -. ,

пш ПИША., составляет 163,9 тысяч рублей по отношению к новой детали и 5,95 тысяч рублей по отношению к детали, восстановленной-плазменным напылением с оплавлением при условной годовой программе 1100 единиц ( состояние цен на февраль 1992 года ).

Общие выводы и рекомендации

1. Б результате исследований получено математическое описание комплексной предварительной подготовки поверхности перед напылением и процесса ПНРХА, которое является вкладом в развитие и обобщение теории поверхностно - пластической деформации, термодинамических и физико - технических процессов и позволяет управлять состоянием поверхности перед напылением и качеством покрытий ( пористостью) .

2. Исследован способ комплексной предварительной подготовки поверхности перед нанесением покрытия ПИША. Произведена раздельная оценка основных факторов процесса, влиясщпх на шероховатость и очистку поверхности от окисных пленок. Получены, регрессионные уравнения и определены опкллальные ре лили: давление в пневыосыстсме - 0,5 МПа; дистанция обработки - ОС мм; диаметр абразива, - 0,5... С,8 т; время обработки - 60 с; угол атари - 80 град.Плотность тока тлеющего разряда - 1,4...1,6 мЛ/см^; напряжение - исс 3; давление в камере - 3,5...3,0 Па; расстояние меяеду электродами - 8...

9 мм; время обработки тлеющим разрядом - 90...100 с.

3. Зксперп.юнтальцкми исследованиями получено регрессионное урзЕненпе процесса ШРКА, описывающее влияние основных технологических ре'згюв на пористость покрчтпй из самофиосующегося сплава ПГХ?- - 4.Определены оптимальные зкаченпямтощность дул: плазглотропа 18 кБЛ-; расход пжазмсоСрззущсго газа -1,16 1С~Ч1°/с; давление в камере -'20 кПа; дистанция папыл синя - 330 мм. Приведены продпочтп-гелыше регезлы иехзничвокоГ- обрабогкт шлифованием кулачков распредвала: частота вращения ;;руга - 25...ОС мин-1; скорость резания -

• 00...40 ы/с;,поперечная подача - 0,005 км/дв.ход.

4. Б результате проведенных наследований было установлено, что благодаря ивнесега? плазменного покрытия в разрешенной контролируемой атмос'.ере Очли улучпены некоторые :;;;2:ао - механические свой-с-яп напиленного материала ( ПГС? - 4 ). Причиной зтего улуч::са:1." является коззгфжзревишэк структура дшгаого сплава, свободная от окгслоэ, которая соответствовала всхсоплеачеяроуу состоянию. При

этом'адгезионная прочность покрытия ПНРКА, обработанного дополнительны!,! "электрическим разрядом составляла 177.. .197 ;,Ла, а пористость до 1,5%.

5. Лучшая приспосабливаемость модифицированной структуры ПНРКА к изменяющимся условиям при испытании на износ способствовала получению коэффициента долговечности сопряжения кулачок - толкатель . ■ равным 2,72 по сравнению с новым. 'Эксплуатационные испытания, проведенные на автотракторной технике в условиях умеренной климатической зоны, показали, что линейные износи восстановленных по технологии ПНРКА кулачков распределительных валов не превышают 0,С2... 0,03 мм после 142С мото -часов наработки трактора ТДТ - 55А и 67354 юл пробега лесовоза КрАЗ.

6. По результатам экспериментов разработан опытный образец установки ПНРКА в полупромышленном виде, позволяющий напылять как лабораторные образцы, так и детали.

7.Разработаны основные положения технологии ПНРКА, включающее комплексную предварительную подготовку, процесс напыления и-механическую обработку шлифованием, а также рекомендации по условиям реализации технологии ПНРКА, оостояпщх из технической и экономической составляющих. Технология ПНРКА била, внедрена в фирме "¡ХЛАД" для восстановления ответственных деталей машин. . ,

8. Расчет экономической эффективности процесса ПНРКА показал преимущества данной технологии при восстановлении распределительных валов ДВС перед новой деталью й восстановленной по существующей технологии напыления с оплавлением защитного покрытия. Расчетный эффект составил 163,9 тысяч рублей и 5,95 тысяч рублей соответственно при условной годовой програиле ПСС единиц ( по ценам февраля 1392 года Семчлукского реконтно - технического предприятия Боронеьагропромсервис ). •.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ту туков З.Н., Земсков Ю.II., Зфрон .'.¡.Б. Елияпие факторов дробеструйной обработки на состояние поверхност:;// Об. науч. гр. .. ВСЕЙ: Улучшение свойств материалов для деталей с ельскохозлйс гй о н-ных машин. ьорсис.:Д53и - 3. 97 - 113.

2. Оценка влияния параметров тлещого разряда на 5^ф.ек1:з-пость очистки поверхности/ 1у туков ¿„Л., Семаков i-.il., ..¿<:.:.::-л> МхП, Вороне;:, 1933 - 13 с. - Деп. в .-V.

- 3. Оптимизация процесса обработки поверхности тлеющим разрядом/ Ту туков Б.Н., ¡земсков Ь.П., ¡.¡альцев А._'.:ВЛШ - Вороне;.;, 13ио

- 10 с. - деп. в ЩЕП'Э;Гь;,28.03.00,4395 - чы 88.

4. Станчев Д.И., Земсков Ь.П. Опыт разработки о организации комплексных мероприятии по упрочнению детален при'изготовлении и ремонте. Тез. докл. науч. тех. конф. ыЛ'$1 - Пушкино ¡Зоек. 'Обл., -" 1989 - Зс...

5. Станчев Д.И., Земсков ¡З.П., 1Садырметов А.¡Л. и др. Исследование физики процесса и разработка технологии плазменного напыления с целью повышения долговечности деталей машин// Отч. ИГР Пнв.Л ГР 01933083183, ШЛИ, Воронек - 1989 - 8Сс.

■6. Еемсков Ю.П., Станчев Д.П. К вопросу об износостойкости плазменных покрытий, полученных в разрешенной контролируемой атмосфере ПНРКА.// Износостойкость машин. - Тез. докл. Бсесоюз.в.-т. кокф. - Грянск, 1991 - С.43 - 44.

7. Сгаячзв Д.П., Земсков Ю.П.,Пекиев П.!и., Блплнпе условий плазменного напыления на состояние структуры и износс-стойкость покрытии// Триботехника - машиностроению. Тез. докл. 5 науч. конф.

- Н. - Новгород, 1931 - 20с.

■ 8. Станчев Д.II., Земсков 3.3., Ту туков Б.Н. Установка для плазменного напыления в разрешенной контролируемой атмосфере // ;,1е;:шуз. сб. науч. тр.: Восстановление и управление качеством ремонта деталей машин, СПИ - Саратов,' 1991 - С. 30 - 34.

9. ОганчеЕ Д.П., еемсков Ь.П. Установка плазменного напыления в разрешенной контроДирусмой атпос.Т'оре// йкформ. листок 107-32, ' ЩПП-Бороне::;, 1932 - 4с.

Подписано в печать 19. II. 53 г. ^срик ¿0 « £0 1/13. Вулз.го. дллт мнол. аппаратов. 0{сз?нл& печать. Усл.-псч. л. 1,0. Тир*л; 100. Зил 404.

Еорсне~схиГ|" технологически и институт 391017, Бороне--:, пр. Реь'оплдш:, 19 "ичегок опор-липы',

Г:тти^лсл:тт тг'.-.т^тл и"' л. ,нк'л тт-.-тг,