автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка процесса термомеханического упрочнения поверхностей с газотермическими покрытиями

На правах рукописи

ягсоилс:в конеченгип алексаддрошрг

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО

УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ГЛЗОТЕРМИЧЕСКИМИ

покрытиями

Специальность - (IS.02i.01

Процессы механической и физико-техкической обработки,

станке: и инстр-умен"

! Я ТОР ЕФ1:. РА ,

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических исп>к

ВОРОНЕЖ - 1998

Работа выполнена на кафедре «Производство, ремонт и эксплуатация машин» в Воронежской государственной лесотехнической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Станчев Д.И.

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и

техники РФ, доктор технических наук, профессор Петровский B.C.

- кандидат технических наук, Бондарь А.В.

Ведущая организация - НИИ автоматизированных средств

производства и контроля г. Воронеж

Защита диссертации состоятся 16 декабря 1998 г., в 14 час., в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д063.81.06 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «/<5 » _1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Болдырев А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

__Лктуалытсть темы.___________________________________________________

Jvíijoriie рабочие параметры деталей машин в основном определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Поэтому использование дефнцидчме н дорогих. конструкционных материалов но всем объеме детали нецелесообразно. Экономически оправдывает себя применение при «пготовлеыин деталей мглшн использование специальных покрытий, оГккнечтгааююих нужный комплекс свойств.

Из существующих способов нанесения покрытий наиболее прогрессивным явля«тся га «»термическое напыление (1 TI-'}. Сушссшашым недос-тагком ГТН является ограниченное применен!«: таких покрытий в высоко-нагруженных узлах трения по двум причинам. Во-первых, из-за возникающих при прении сдвиговых и растягивающих напряжений в стоях покрытий и во-вторых, за счет образования структурной неоднородности, высоких остаточных напряжений, сразните.1П.но низкой прочностью соединения с основой н высокой пористости. В тоже время, для придания изделию окончательных размеров и доведения поперхнопи покрытия до требуемой шерохо1Ктгости необходима последую адал мех;1нгческая обработка напыленного еден. Данная обрабэтка .«шегся мскяочэдешио ответственной и трудоемкой операцией, -гак как аапылеимыс пкотеринчсские покрытия имеют стопы [ценную гвердостыя и попгокеглг'то теплопроводность из-за ОКСИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ IÍ пор В слог П>ЖрЫТ:»1.

Повысить c]jh3¡ko •мо.»пиче«кие характеристики и долговечность деталей машин с газотс:»мичоскиь\-и покрытиями, а также уменьшить припуск на последующую механическую обработку можно при помощи упрочнения напиленного слоя теомомехапической обработкой, представляющей собой рэцкокшьнос сочетание в одном технологическом процессе оорабоша давлешш (обкатка покрытия роликовым инструментом) и термической (плазменной струей) обработки.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом 1мучжн!сследоватс11ьтт работа ПШВШ РФ по комплексной научно-техническом п;ю1р;:мм:с «(Восстановление» при содействия Саратовского госуцпрстпеппото технического чтгяверситета.

Цел »i раб,уши,

Повышение долговечности деталей машин с газотермическими покрытиями на никелевой основе термомеханическнм упрочнением (ТМУ) обкаткой роликовым инструментом.

Основные задачи исследования:

1. Провести теоретические исследования термопластической деформации газотермических покрытий, выявить основные факторы процесса и оптимальные диапазоны их изменения.

2. Разработать методику экспериментального исследования процесса ТМУ газотермических покрытий.

3. Экспериментально исследовать процесс ТМУ напыленных покрытий обкаткой роликовым инструментом и выявить оптимальные параметры процесса.

4. Произвести .ТМУ газотермических покрытий на коленчатых валах автотракторной технике, а также на деталях металлообрабатывающих станков и провести их эксплуатационные испытания. Оценить долговечность деталей.

5. Разработать технологический процесс упрочнения обкаткой роликовым инструментом газотермических покрытий, нанесенных на детали машин.

Методы исследований.

Для достижения поставленной цели использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические вопросы решались методами математического анализа экспериментальных исследований других авторов с использованием основ теории подобия и теории пластической деформации материалов. При проведении экспериментов использовались методы теории вероятности и математической статистики, а также методы определения физико-механических и триботехнических свойств упрочненных покрытий.

Научная новизна.

Предложена двух ступенчатая упрочняющая обработка газотермических покрытий (горячая обработка в размер и упрочняющая обработка без дополнительного нагрева). Построена математическая модель взаимодействия обкатывающего ролика с покрытием на никелевой основе при ТМУ (основные допущения: истинные напряжения сжатия материала покрытия равны истинным напряжениям растяжения; пористостью покрытия пренебрегаем). Получена оптимальная область изменения основных факторов процесса от выходных параметров. В разработанной технологии предложено новое устройство для напыления и последующего упрочнения покрытий на шатунные шейки коленчатых валов (патент РФ №2085301).

Практическая ценность.

Предложен эффективный способ ТМУ газотермических покрытий обкаткой роликовым инструментом. Рекомендованы режимы термомеханической обработки для упрочнения газотермических покрытий из порошковых материалов ПГ-СР4 и 50%ПГ-СР4+50%ПН85Ю15 на деталях

. автотракторной техники. Разработан технологический процесс ТМУ га-зотерммческих покрытий' на делалгх машин. Сравнительные эксплуатационные испытания показали снижение интенсивности изнашивания дё-" — талей"в-срёдпе.\1 в 1,5 рана и экономическую делесооЗразносгь предлагаемой тсхнологчи.

Реализация работы.

Результаты исследований были проверены в лесхозе и. Графская Воронежской области на автотряеторной техн тке, а также на кафедре технологии хоисгрукционит материалов ВГЛТ А. на деталях металлообрабатывающих станков (валы коробки передач) подтвердили качественное совпадение с лабораторнмми данными. Предла'-аемый технологический процесс нередан дну внедрения на АО ЦАРЗ №172 г. Воронежа.

Апробация работы. Основные положения докладывались и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (ОГТУ, Оренбург, 1995);

Международной научно-технической конференции

«Износостойкость мгимну- (БГИ'] А, Крянск, î 996);

- Всероссийской ьауч но-технической кон|»еренции «Теория, проектирование и методы расчета лепшх и дереве обрабатывающих машин» (МГУ, Моек»;!, 1997).

Публикации. По геме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 1 па дот на изобретение,

Структура и оСъелг работы. Дкссе.рт.нп-'Я состоит из введения, пяти разделом, оснокшгх вы йодов и рекомендаций, списка литературы, приложения. Она включает в себя 160 страниц основного текста, 36

ил., 17 тпблиц, 127 нгименоелний на юльзовачных источников и приложений на 42 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во медники обо:итов;жл актуальность темы исследования, сформулированы. цель работы и научные положения, выносимые Fia защиту.

В первой главе irpnведен глада оеншшпх методов упрочняющей обработки газотермических покрытий: термообработка напыленных покрытий в вакууме, обработка давлением в газосчатах, обработка взрывом, обкатывание роликовым или шариковым инструментом, оплавление, лазерная, электронно-лучевая, электроконтактная, магнитоимпульсная и

ультразвуковая обработка. Отмечено, что упрочняющая обработка напыленных покрытий должна обеспечивать следующие условия:

- упрочняющее воздействие не должно лишать газотермические покрытия присущих им преимуществ по сравнению с другими покрытиями;

- упрочняющее воздействие должно эффективно улучшать структуру покрытий на всех уровнях и через нее (структуру) повышать прочностные характеристики и устойчивость к пиковым значениям напряжений нагрузки. Последнее для покрытий играет существенную роль, так как уровень прочностных свойств покрытий намного меньше, чем у компактных металлических материалов;

- окончательная механическая обработка упрочненных покрытий должна быть полностью исключена или ее трудоемкость сведена к минимуму;

- упрочнение покрытия не должно увеличивать себестоимость изготовления и восстановления детали более чем в 1,5 раза;

Из рассмотренных методов упрочняющей обработки плазменных покрытий только обкатывание роликовым инструментом удовлетворяет перечисленным выше условиям. Однако в результате литературно-аналитического поиска нами были найдены только отдельные упоминания об эффективности такого упрочнения. Не разработаны технологические подходы рассматриваемого метода упрочнения напыленных повсрытий.

На основании анализа информационного поиска были поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены вопросы общей методики исследования, включающей теоретические и экспериментальные исследования, и частных методик по проведению металлографического и рентгеноструктур-ного анализа; по определению физико-механических и трибогехнических свойств; точности обработки и шероховатости покрытий. Дана оценка погрешностей измерений.

Описано приспособление для ТМУ напыленных покрытии роликовым инструментом, приведен его общий вид и основные конструктивные элементы. Проведено обоснование выбора рабочих материалов и материала обкатывающего ролика. Разработана схема эксперимента.

На рис. 1 представлена схема термомеханического упрочнения покрытия обкаткой роликовым инструментом.

Изучение микроструктуры покрытий проводилось на микрошлифах с помощью микроскопа МИМ-7. Рентгеноструктурный анализ выполнялся на дифракгомере ДРОН-3,0. С его помощью определяли остаточные напряжения в покрытии.

Физико-механические свойства упрочненных и неупрочненных по-гфытий исследовались следующим образем. I (рочноеть соединения покрытия с основой ипредилядась методом сдвига. Образец циттдрическон формы с ясифыгмем уепшагшияалти в матрицу шкны образом, чтобы покрытие опирались из тордеьую поверхность мглрииы. С помощью пресса ИДОЛ-10 к образцу при кладовая? сь нагрузка и аод действием касательных напряжений происходит отрыв помытая. Величину арочиосш соединения при сдвиге определяли как (.ггаошение усилия урезающей нагрузки к площади цилиндрической по&ерхност, на ш«х)рую напилено покрытие.

Газопроницаемость покрытой оценивалась с помощью известного метода измерена.« объема вдадухя протекающего »'грет покрнпие при ста-дяонариом перепаде давления на нем за известное время.

1Ч

^ ) у

да

ш

тт

((»ни

-ЯШАХ_______________

1.У

\У

1 V СО,

/......

>

•тЧ

■з

Рис. 1. Схема тсрмомеханлческого упрочнения покрытия обкаткой роликошш инструментом:: I - дталь с нокршиен; 2 •• обкатывающий ролик; 3 - державка; 4 - шшмарсн, Р - усилие обкатки, Б - подача при обкатке; (У - угловая скорое» летала; (1)1 •• угловая скорость ролика

Усталостные испытания проводились при чистом изгибе вращающегося образца на машине МУИ-6000 в соответствии с ГОСТ 25.502-79.

Измерение кв&зитвердости проводили по методу Роквелла на приборе ТК-2М. Мнкрогвердосгь определяли на микротвердомере ИМТ-З.

Износостойкость покрытий при трении об абразивно-маслянную прослойку определялась с помощью машины трения СМЦ-2 и образцов «диск-колодка».

Точность обработки определяли по отклонениям от номинального размера детали. Замеры проводили скобой СР ГОСТ 11098-75. Отклонения профиля продольного сечения находили путем измерения отклонения от прямолинейности контролируемой детали с помощью индикатора часового типа ИЧ-2 ГОСТ 6507-78. Шероховатость поверхности определяли с помощью профилографа-профилометра модели 201 и оценивалась средним арифметическим отклонением профиля 11а по ГОСТ 2789-73.

В третьей главе представлена математическая модель определения усилия обкатки роликом газотермических покрытий на основе никеля при ТМУ, получено математическое описание точности обработки в виде уравнения регрессии от параметров процесса ТМУ воздушно-плазменных покрытий ПГ-СР4 и 50%ПГ-СР4 + 50°/аПН85Ю15.

Одним из вопросов, которые необходимо было решить для реализации способа ТМУ являлась задача выбора усилия обработки в зависимости от задаваемой пластической деформации покрытия, температуры покрытия, скорости деформации, геометрических параметров ролика и обрабатываемой наружной цилиндрической поверхности покрытия.

Нами была разработана математическая модель зависимости усилия термомеханической обработки покрытий от указанных факторов. Она имеет вид

2max Cosa,

2 т ах

+в

■р

+tgr■

-ар2-Е

1

V^Imax +í£y2max

2 шах COSy2t

- + ln

tg

^lmax , n

2 4

lmax

СОБ/,

2тах

где A = ln

В - ширина обкатывающего ролика, м; ЕР - модуль упругости материала ролика, Па.

На рис.2 представлена схема деформаций поверхности контакта обкатывающего ролика с цилиндрическим образцом. Результаты расчетов показали следующее: - радиус образца практически не влияет на усилие обкатки;

- увеличение радиуса ролика с 0,005 до 0,02 м приводит к двух-трехкратному увеличению усилт обк;п:ывашя с 150...330 Н/мм до 330...К00 Н/мм. Такой характер зависимости лггко объясняется чем, что заданна« яеднчина пласгяческсй дефэрмании покрытия определяется необходимой величиной механических напряжений в нем, или величиной давления ролика на покрытия. Затдвную же нелачгогу давления при малых нлошадях контакта (малых радиусах ебшъ вающего ролика) можно получить малыми стаями, а при болмгпгх плсщгдях коятатега (больших радиусах ролнта) - большими силами обкагки.

- ¡сияние радиуса ролика более существенно ври низких температурах (< 900 К), при больших велттчипх пластической деформации покрытия ( > 0,2) и при болызых скоростях деформаций магсриала покрытия ( > 100 с-]);

- увеличение температуры покрытия, уменьшение величины его пластической деформации л скорости деформации приводит к падению усилия обкатывания Р. Наиболее существенно это сказывается при больших радиусах ролика ( > 0,015) - у,го падение Р составляет соответственно 44, 21 я 40%; при радиусе ролика 0,005 м такое падение Р составляет 35, 39 и 19% соотоетсткнно, при этом значения Р не выходят за предела 150. .330 Н/«м;

- вежгаии радиуса ролика должна выбираться исходя из компромисса по удовлетворению требований нсимсокой величины сплы обкатки и малой вллннгтоши обклтьтв&шоГ! поверхности в интервале 5... 12,5 мм;

- целесообразна /юук иушяпш обката покрытий. На первой стадии обката проводится при »ысоких темпе раэурги покрытия (> 1400 К). Целью первой стадии ямке гея опяакленнс покрытия и выполнение размера обрата, обеспечивающею минимальный припуск на шлифование. Усилия обкатки прим ш> превшшдог250...550 Н/мм.

Вторая стадия обкатки проводится традш (ионным способом без дополнительного нагрева. Усилие обкапш должно находиться я интервале 400...в00 Н/мм. Целью пторой стадии является упрочнение покрытия.

В заключении тре"т»ей пгавы с помощью шашрованпя эксперимента были получены уравнения регрессии-, котэрне позволили определить оптимальные режимы процесса ЧМУ для шшчтеччого порошка ПГ-СР4 и 50%ПГ-СР4Н'50%ГШ1151015. Технологические режимы найдены для каждой стадом обработки.

Рис.2. Схема деформация поверхности контакта обкатывающего ролика 1 с цилиндрическим образцом 2: «1 - деформация ролика на межосевой линии ролика и образца; АНС - линия контакта; г - радиус ролика

В четвертой главе приведены результаты металлографического и рештеноструктурного анализа, физико-механических и триботехнических свойств упрочненных покрытий, а также результаты по точности обработки.

Результаты сравнительного анализа показывают, что покрытия после термомеханического упрочнения на оптимальных режимах имеют прочность соединения с основным металлом на 8...10 % (для материала покрытия ПГ-СР4) и на 5...8 % (для материала покрытия 50%ПГ-СР4 + 50%ПН85Ю15) выше аналогичных не упрочненных покрытий. Кроме того, упрочненные покрытия ПГ-СР4 и 50%ПГ-СР4 + 50%ПН85Ю15 имеют газопроницаемость в 5 и 6 раз меньше соответственно, чем неупрочненные. Результаты исследований показали, что под действием температуры и приложенной нагрузки от ролика, материал покрытая в процессе ТМУ растекается и заполняет поры. Происходит «залечивание» пор и как следствие увеличивается прочность соединения покрытия с основой и уменьшается газопроницаемость.

Нами было установлено, что предел выносливости образцов с покрытиями ПГ-СР4 и 50%ПГ-СР4+50%ПН85Ю15 после ТМУ на 14 и 15 % соответственно выше предела выносливости образцов с неупрочненлыми покрытиями из этих же материалов.

Результаты измерений мшчютвердости исследуемых покрытий в трех зонах (на внешнем слое покрытия; в средней его части и основы) представлены на рис.3. На наш взгляд, увеличение микротвердости пок-рьпий после ТМУ может быть обьяснемо большой скоростью остывания"покрытия в момент обкатки роли кошм инструментом. Высокое значение шпсротвер-достн покрыта» мояа-г быть raie же объяснено за счет наличия оксидов и нитридов, которые дают дгакяннтелъный вдгчд в дифференциальную твердость.

Нр, ГПа

1

12 9 6 ■ 3 О

н„,

ГПа

1 с

л-;

12 9 6 3

V

ч

О "'"г:."

0,05 0,5 1,0 h, мм 0,05 0,5 1,0 h, мм г. б

Рис. 3. Зависши-сть микрогвердости (Я,.) покрытия по толщине слоя (h), а •• некрытое НГ-СР<1; f, - насрытие 50%ПГ-СР4 Ь50%ПШ5Ю15; © - после ТМУ; il - без 'Ш;У

Металлографический анализ показал, что покрытая после ТМУ имеют улучшенную структуру (более плотная и равновесная). Рсчптаюструктур-ным ан&тизом усювоплсмэ, что « данных покрытиях присутствуют следующие ф;сы: твердой расгзор на основе никеля; карбиды хрома (СгпСб и С17С1), бориды никеля и хрома (N¡3В, Ni2B, СгВ) и силициды никеля (NisSij, NiiSi), а также небольшое количество оксидов (СГ2О3, B2Oi, SiOj, AI2O5), образовавшихся в процессе напыления. Измерения остаточных напрчтений на ¡товерк-косги образца по кгзала, что поверхностные слои не упрочнении^ покрыта"! находятся под действием растягивающих напряжений. После ТМУ иовфхностныс слэн покрытия испытывают остаточные напряжения сжатия. Это связано с тем, что вторая стадия упрочняющей обработки проводится без дополнительного нагрева. Поэтому по-верхностиые слои покрытая при обкатке, деформируясь, стремятся занять соседний объем, но этому мешают нижележащие слои, подверженные

только упругой деформации. После пластической деформации поверхностные слои покрытия частично удлиняются. Это приводит к растягиванию нижележащих слоев. Однако в силу низкой пористости материала удлинение этих слоев не происходит. В результате описанного взаимодействия в поверхностном слое покрытия создаются сжимающие напряжения.

Результаты проведенных сравнительных испытаний на изнашивание отображены на рис. 4 и 5. Из рисунков видно, что покрытия после ТМУ имели износ в среднем в 1,1... 1,4 раза выше, чем оплавленные покрытая из того же материала во всем интервале исследуемых нагрузок я скоростей скольжения.

Результаты экспериментальных исследований позволили сделать вывод о возможности ТМУ газотермических покрытий на шейках коленчатых валов с последующими эксплуатационными испытаниями. Для этого было с конструировано опытное приспособление на базе экспериментального. В частности нами было разработано и сконструировано приспособление для нанесения покрытий на шатунные шейки коленчатого вала. С помощью этого же приспособления происходило ТМУ напыленных шеек.

В пятой главе отмечены результаты эксплуатационных испытаний коленчатых валов с напыленными и упрочненными шейками, а также валов коробки передач металлообрабатывающих станков. Натурные испытания проводились на коленчатых валах различных двигателей в условиях эксплуатации (работающих тракторов и автомобилей), а также в стационарных условиях (на стендах). Сравнивался износ шеек коленчатых валов, восстановленных газотермическим напылением (воздушно-плазменным) с последующим ТМУ, без ТМУ и новых. Эксплуатационные испытания показали, что шейки (шатунные и коренные) коленчатых валов, восстановленные газотермическим напылением с последующим ТМУ, имели в среднем износ в 1,3...1,4 раза меньше, чем у аналогичных шеек без ТМУ и в 1,5...1,7 раза меньше, чем у новых.

Расчет экономической эффективности разработанной технологии составляет 1097 млн. рублей по отношению к новой детали и 75,5 млн. рублей по отношению к детали, восстановленной плазменным напылением, использующим азот в качестве плазмообразующего газа, с последующим оплавлением покрытия при условной годовой программе 500 единиц (по ценам 1997 года).

И, г

0,4

0.1 02

0,1

! .....

/

------ — "Г" ~ '---------- -----------

.. у / 2 / У/

/

/

г'

1,2:

2,5 3,75 Р,МЛа а

И, г I

0,3

0,1

---------- -2— У/ --------

/л

/ -------

■

Ил

0,3

0,6 0,4 0,2

2: 2,5 3,'»5 Р,МГ1а б

' /

^......;

0 1,25 2,5 3,75 Р,МПа

В

Рис.4. Зависимость таекси внести изнашивания И покрытий (износ на 3 км пути трения) абразшшо-мас.1яной прослойкой от удельной нагрузки Р и скорости скольжения и (схема «диск-колодка»): а) о= 0,78 м/с; б) и = 1,30 м/с; в) и ~ 2,60 м/с; 1 - сталь 45, закаленная до 58 НЛСз', 2 - покрытие 50%ПГ-СР4 после оплавления; 3 - покрытие 50%ПГ-СР4 после ТМУ

)

0,2

И, г 0,4

0,3

0,2

ОД

0 1,25 2,5 3,75 Р,МПа а

И,г 0,8

0,6

0,4

0,2

0 1,25 2,5 3,75 Р,МПа

И,г 0,8

0,6

0,4

0,2

О 1,25 2,5 3,75 Р,МПа В

Рис.5. Зависимость интенсивности изнашивания И покрытий (износ на 3 км пути трения) абразивно-масляной прослойкой от удельной нагрузки Р и скорости скольжения о (схема «диск-колодка»): а) о= 0,78 м/с; б) о = 1,30 м/с; в) и = 2,60 м/с; 1 - сталь 45, закаленная до 58 НЛСэ; 2 - покрытие 50%ПГ-СР4+50%ПН85Ю15 после оплавления; 3 - покрытие 50%ПГ-СР4+50%ПН85Ю15 после ТМУ

/

' 3

б

/

//

2 \ > //

3

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате литературно!'з обзора установлено, что увеличить долговечность деталей машин- с--газотермически'ии~покрытиями можно за счет использования TVÍV напыленного слоя Пешковым инструментом. Кроме того, ТМУ позволяет свести к минимум;)' последующую механическую обработку.

2. Построена математическа j модель зависимости усилия термомеханической обработки пгкры:ий к никелеьой основе от задаваемой пластической деформации покрытия, температуры нокрьгшя, скоросш деформации, геометрических параметров ролика и обрабатываемой наружной цилиндрической госерхяости vieiaim.

3. На оегшиднии данных математической модели рекомендовано использовать обкатывающие ролики радиусом 5...12,5 мм, а также выполнять ТМУ в две стадии: па первой стадии обкатка проводится при высоких температурах покрытия (> 1400 К). Целью перной стадии является оплавление покрытия и выполнение размера образца, обеспечивающего минимальный припуск на шлифование. Усилия обкатки при этом не превышают 250...550 Н/мм. Вторая стадия обкатки проводится традиционным способом без нагрева. Усията обкат чи должно находиться в интервале 400...800 Н/мм. Целью «ropo* с (»дни я зля по-: упрочусьие покрытая.

4. Определены о.чгимзлын.л режимы: л. из материала покрытия ПГ-СР4 на первой стадии скорость вращения детати п=:640 об/мин; скорость перемещении плазмоцид-.а у=0,46 мм/ос; усипне обкатки Р-255 Н/мм; дистанция OHJ авлеыил :-=93 мч; расход ш!азмосбр.пующего гаю (воздуха) Q=66 Л'мин. На втор.>й стадии обработки Р-780 Н/мм; и=160 об/мин; и=0,4 мм/об. Для материала покрытия 50%1"1Г-СР4+50%ГШ85Ю15 на первой стадии п=640 об/мин; и=0,46 мм/г.б; Р-'ЗО И/мм; 1-83 мм; Q-54 л/мин. Пц второй стадии обработки Р=700 Н/мм; п-160 об/мип; и=0,4 мм/об.

5. Исследование упрочненных покрытий показало, что ТМУ улучшает их физико-механические свойства: повышает прочность соединения с основой на 5...10 %; уменьшает гззоп:о!«ицагчость аокрмтий - 5...6 раз; повысился предел на 14... 15 %; увеличивается износ остойкость в 1,2—1,4 раза. Приг/уск на шлифование составляет 0,03.. 0,05 n м.

6. По результатам экспериментов разработай опытный вариант приспособления для напылення и последующего термомеханического упрочнения шатунных шеек коленчатых валов.

7. Стендовые испытания, проведенные на автотракторной технике, а также на валах металлообрабатывающих станков показали, что износы ва-

лов с газотермическими покрытиями после 'ГМУ были в среднем в 1,3..1,4 раза меньше, чем износы у деталей с газотермическими покрытиями без ТМУ и в 1,5... 1,7 раза меньше, чем износы у новых. Разработанная технология была передана для внедрения на ЦАРЗ №172 г. Воронежа для восстановления ответственных деталей машин. Экономическая эффективность для коленчатых валов, восстановленных с помощью процесса газотермического нанесения покрытий (воздушно-плазменного) с последующим ТМУ, в сравнении с новыми деталями и восстановленными с помощью плазменного напыления (при использовании в качестве плазмообра-зующего газа азота) с последующим оплавлением покрытая составила 1094 млн. рублей и 75,5 млн. рублей соответственно ( по ценам 1997 года) при условной годовой программе 500 единиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Станчев Д.И., Кадырметов A.M., Яковлев К.А. К вопросу упрочнения газотермических покрытий. - Воронеж, 1995. - 9с. - Деп. в ВИНИТИ 9.03.95, Х° 866-В95.

2. Станчев Д.И., Яковлев К.А. О путях повышения технологичности обработки газотермических покрытий // Улучшение работоспособности деталей и узлов сельскохозяйственной техники: Сб. научных трудов. - Воронеж: ВГАТУ, 1995. - С. 56-57.

3. Станчев Д.И., Яковлев К.А. Упрочнение воздушно-плазменных покрытий с помощью обкатки роликовым инструментом // Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств: Тез. междунар. конференции. - Оренбург: ОПТУ, 1995. - С. 80.

4. Станчев Д.И., Яковлев К.А., Ливенцев В.В. Свойства воздушно-плазменных покрытий, упрочненных обкаткой роликовым инструментом И Износостойкость машин: Тез. междунар. научно-техн. конференции. -Брянск: БГИТА, 1996. - Ч. 2. С. 73.

5. Станчев Д.И., Яковлев К.А., Ливенцев В.В. Оптимизация процесса упрочнения ваздушнр-ллазменных покрытий роликовым инструментом при восстановлении деталей машин лесного комплекса И Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. научных трудов. -Воронеж: ВГЛТА, 1996. - С. 53-55.

6. Станчев Д.И., Яковлев К.А. Методы исследования прочности соединения упрочненных газотермических покрытий с основой // Методы и

средства научных исследований процессов механизации сельскохозяйственного производства: Сб. научных трудов. - Воронеж: ВГАТУ, 1997. - С. 114-118.. ______________________ _____________________________________________

7. СтаТчев Д.Й., Кадырметок A.M., Якотдлен К.А. Упрочнение деталей типа "вал" лесных машин с воздушно-плазменным напыленным покрытием // Теория, проектирование к методы расчета лееиых и деревообрабатывающих машин: Tea. веероссийск. начло-техн. конференция. - Москва: МГУ, 1997. - С. 89-90.

8. Патент 2085501, МКИ(6) В 05 В 13/04, 13/02, 15/08. Устройство для нанесения покрытия на шатунные шейки коленчатых валов / По-сметьев В.И., Кацыруегос A.M., Ливенцев В.В., Яковлев К.А.; Воронеж, лесотехн. ин-т, - приор. 17.0S.94; Опубл. 27.07.97, Бюл. № 5.

9. Посметьев В.И., Кадырметов A.M., Яковлев К.А., Ливенцев В.В. Компактное универсальное оборудование для газотермического напыления шеек коленчатых валов И Информ. Листок J Г® 75-97. - Воронеж: ЦНТИ, 1997.-4с.

10. Яковлев К.А. Влияние термомехакической обработки на сопротивление усталости деталей с воздушно-плазменными покрытиями. - Воронеж, 1998.-9с. Дер. в ВИНИТИ 20.01.98, № 127-98.

И. Сухочсв Г.А., Кадырметов A.M.. Яконлез К.Л. Поверхностное упрочнение кшштних покрший нагруженных деталей // Нетрадиционные технолог-ы в ма!инь.;к-'.роении и пр¿боро строении: Межвузовский сборник научных трупов. Выпуск 2. - Воронеж: РЫКЦ <.<Ренакорд», 1998. •С. 80-85.

12. Яковлев К.А. Повышен«; долговечности деталей трелевочных тракторов с нозду1'лк' плазменными пол'рышшп // Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе: Тез. Всероссийской t-аучно-техн конференции. - Всронеж: ВГАУ, 1998. - С.60.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Подписано в печать /2 //- 9Я Формат 60x84/16. Бр.гппн дня множительных аппаратов.

Усл. печ.л. 1,0. Ти]Г1-к 85 экз. Зак. № fpf.

Издательстпо

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский просп., 14

61 ■ ^

Н^ в - 8

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

ЯКОВЛЕВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

05.03.01 - "Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель д.т.н., профессор Станчев Д. И.

ВОРОНЕЖ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................... 6

ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ

МАШИН С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ........... 9

1.1. Анализ методов упрочняющей обработки газотермических покрытий деталей машин .................... 9

1.2. Упрочняющая обработка металлов и газотермических покрытий.......................................... 18

1.3. Ультразвуковая обработка газотермических

покрытий.......................................... 27

1.4. Выводы............................................ 29

1.5. Цель и задачи исследования ........................ 32

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ......................... 34

2.1. Этапы исследований ................................ 34

2.2. Экспериментальное оборудование и рабочие материалы ............................................... 35

2.2.1. Экспериментальное оборудование .................. 35

2.2.2. Обоснование выбора рабочих материалов ........... 41

2.3. Методика исследований физико-механических свойств

ч покрытий до и после упрочнения .................... 43

2.3.1. Общие положения ................................. 43

2.3.2. Методика определения прочности соединения покрытия с основой.............................. 44

2.3.3. Методика определения газопроницаемости

покрытий ........................................ 47

2.3.4. Методика определения предела выносливости

<-> о

покрытий................................................................................53

2.3.5. Методика определения твердости (квазитвердости), микротвердости и шероховатости ....................................52

2.3.6. Методика рентгеноструктурного и металлографического анализов ................................................................55

2.3.7. Методика лабораторных испытаний на изнашивание абразивно-маслянной прослойкой ....................................56

2.4. Методика определения точности обработки и шероховатости покрытий..............................................................61

2.5. Методика обработки результатов экспериментов ............62

2.6. Выводы........................................................................................62

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТМУ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ......................64

3.1. Определение усилия обработки при ТМУ ............................63

3.1.2. Определение размеров зоны контакта ролика

с образцом............................................................................77

3.1.3. Расчет деформаций ролика в зоне контакта

с образцом............................................................................80

3.1.4. Расчет силы прижима ролика к образцу ........................83

3.1.5. Общая схема и результаты расчета..........................85

3.2. Определение оптимальных технологических режимов ... 92

л

3.3. Выводы............................................ 94

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ..... 96

4.1. Изучение прочности соединения оплавленного покрытия

с основным металлом ............................... 96

4.2. Исследование газопроницаемости покрытий ........... 97

4.3. Исследование сопротивления усталости воздушно-плазменных покрытий............................... 98

4.4. Квазитвердость и микротвердость оплавленных

покрытий .......................................... "104

4.5. Металлографический и рентгеноструктурный анализ материалов покрытия ............................... 105

4.6. Исследование износостойкости упрочненных

воздушно-плазменных покрытий ...................... 113

4.7. Исследование точности обработки и шероховатости упрочненных покрытий .............................. 118

4.8. Выводы............................................ 118

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО

УПРОЧНЕНИЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ........... 121

5.1. Анализ условий работы коленчатых валов и причины появления неисправностей .......................... 121

5.2. Технологический процесс восстановления деталей машин лесного комплекса газотермическим напылением

с последущим термомехаиическим упрочнением........ "122

5.3. Технологические рекомендации по выбору режимов процесса ТМУ газотермических покрытий ............. 127

5.4. Эксплуатационные испытания восстановленных коленчатых валов .................................. 128

5.5. Экономическое обоснование эффективности применяемых технологических мероприятий по увеличений долговечности коленчатого вала............................ 130

5.5.1. Расчет экономической эффективности по первому варианту........................................ 130

5.5.2. Расчет экономической эффективности по второму варианту при одинаковом объеме и качестве

изделия ......................................... 140

5.6. Выводы........................................................................................145

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................147

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................161

л

ВВЕДЕНИЕ

Современная машиностроительная промышленность уделяет большое внимание вопросам повышения надежности, экономичности и ресурса выпускаемых машин и аппаратов. Решение их требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных средах, в условиях высоких температур и давлении, повышенных вибраций при переменных контактных, ударных, статических нагрузках и т.д.

Многие рабочие параметры изделия в основном определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого оно изготовлено. Поэтому использование дефицитных и дорогих конструкционных материалов во всем объеме изделия нецелесообразно. Экономически оправдывает себя применение при изготовлении машин и аппаратов использование материалов со специальными покрытиями, обеспечивающими нужный комплекс свойств.

Основной причиной выхода машин и аппаратов из строя является разрушение быстроизнашивающихся деталей, что приводит к выпуску большого количества запасных частей и больших затрат на их ремонт.

Повышение износостойкости новых и восстановление изношенных деталей машин обеспечивает экономию высококачественного металла, топлива, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное

ч

использование природных ресурсов и охрану окружающей среды. Для восстановления работоспособности изношенных деталей требуется в 5...8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей. Расходуется в 8...30 раз меньше металла и материала, чем при изготовлении новых. Экономия от восстановления по отношению к производству новых деталей составляет в среднем около 30 % С8...10].

Одним из способов решения этой задачи является газотермическое напыление, которое широко используется в настоящее время для восстановлении изношенных деталей. Это обусловлено рядом достоинств процесса: высокой производительности процесса; относительной простоте технологии; незначительному термическому влиянию на подложку; возможности полной автоматизации технологического процесса.

Однако получаемые покрытия имеют структурную неоднородностью, высокие остаточные растягивающие напряжения и пористость. Все это не позволяет получать физико-механические характеристики, обеспечивающие надежную и долговечную эксплуатацию деталей машин. Кроме того, для придания изделию окончательных размеров и доведения поверхности покрытия до требуемой шероховатости необходима последующая механическая обработка напыленного слоя. Данная обработка является исключительно ответственной и трудоемкой операцией, так как напыленные плазменные покрытия обладают повышенной твердостью, хрупкостью и пониженной теплопроводностью из-за оксидных включений и пор в слое покрытия. Это предопределяет ряд особенностей последующей обработки покрытий. Применение обычных режимов в процессе механической обработки приводит к возникновению трещин, сколов и дополнительных термических напряжений.

Повысить надежность и долговечность деталей машин с газотермическими покрытиями, а также уменьшить или полностью исключить последующую механическую обработку можно при помощи термомеханического упрочнения (ТМУ) напыленного слоя, представляющего собой рациональное сочетание в одном технологическом процессе обработки давлением (обкатка покрытия роликовым инструментом) и термической (плазменной струей) обработки.

Однако, вопрос ТМУ газотермических покрытий покрытий мало

изучен, а экспериментальные данные по физико-механическим свойствам вообще отсутствуют.

Целью наших исследований являлось повышение долговечности деталей машин с газотермическими покрытиями термомеханическим упрочнением обкаткой роликовым инструментом.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательской работы ГКНШ по комплексной научно-технической программе "Восстановление" при содействии Саратовского государственного технического университета.

ч

ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Известно [43, что повысить качество газотермических покрытий можно с помощью двух основных подходов. Первый - повышение физико-механических свойств покрытий за счет совершенствования технологии и техники напыления покрытий. Это относится к напылению в вакууме или в разреженной контролируемой атмосфере [5,6]. Улучшение свойств покрытий достигается снижением дефектности и увеличения прочности соединения покрытия с основой благодаря повышению скорости частиц и снижению их окисляемости.

Второй подход заключается в дополнительном механическом, термическом или полевом воздействии на покрытие при его формировании или после напыления. В последнем случае частицы и слои покрытия могут находиться в твердом или жидком состоянии. Результатом указанного воздействия является упрочнение покрытия.

1.1. Анализ методов упрочняющей обработки газотермических

покрытий деталей машин

Анализ особенностей строения, структуры и существующих между структурными элементами покрытий физико-механических связей, проведенный авторами [7...143 показывает, что наиболее эффективными могут быть современные методы термического и силового воздействия, которые можно условно разбить на две группы (см. рис.1.1).

Первая группа объединяет методы, широко используемые в порошковой металлургии для изготовления и улучшения свойств порошковых изделий. Последнее накладывает серьезные ограничения на их

широкое применение. Изменение физико-механических и триботехни-ческих свойств при обработке этими методами происходит в результате или термического нагрева, или силового нагружения, а также их совместного действия.

Термический нагрев при твердофазном спекании или диффузионном отжиге (темообработка в вакууме) приводит к спеканию частиц между собой и с подложкой в зонах физического контакта без существенного формоизменения частиц и покрытия. Структурные изменения в покрытии сводятся к формированию более равновесных структур, за счет распада метастабильных и выделения избыточных фаз [4]. Правда, это сказывается на уменьшении микротвердости и твер-

Рис. 1.1. Классификация методов упрочняющей обработки газотермических покрытий деталей машин

дости покрытия. Твердость покрытия при спекании не может быть повышена, так как практически сохраняется исходная пористость покрытий. Но снижение уровня остаточных напряжений и микронапряжений позволяет увеличить трещиностойкость покрытий. Термообработка покрытий в вакууме может эффективно использоваться для покрытий как из металлических сплавов, так и из керамики.

Совмещение высокотемпературного нагрева (до 2300 К) и одновременного действия высокого газостатического давления (до 300 МПа) при горячем изостатическом прессовании Ш приводит к наиболее эффективному воздействию на покрытие. Помимо давления и температуры к наиболее влияющим параметрам процесса относятся скорости нагрева и охлаждения, а также длительность приложения нагрузки. В результате такой обработки достигается уплотнение покрытия до плотности компактного материала, устраняются дефектность и неоднородность. Совершенствование структуры приводит к высоким значениям твердости и предела текучести материала покрытия при одновременном повышении трещиностойкости. Как правило, значения прочностных характеристик получаются с небольшим разбросом, что так же свидетельствует о более однородной структуре покрытия.

Гипервысокие давления (до десятков гигапаскалей), возникающие в результате распространения с высокой скоростью (до 8000 м/с) взрывной волны при обработке взрывом С15], и нагрев вследствие вызываемой волной высокоскоростной деформации приводят к эффективному свариванию частиц в покрытии и привариванию покрытия к подложке. При всей очевидности эффективности упрочнения этим методом целесообразность его применения ограничивается узким классом практических задач, для которых можно технически осуществить такую обработку С16].

Пластическое деформирование газотермических покрытий (обкатывание) проводят по различным схемам нагрева и деформирования [43. Распространение получила схема электроконтактного нагрева при обкатке покрытий медным роликом С173. Перспективной также считается обкатка, которая может проводиться в одной технологической цепочке с процессом напыления сразу по слою сформированного покрытия [12].

Вторая группа методов упрочняющей обработки, представленная на рис.1.1, включает методы, в которых воздействие на покрытие осуществляется с помощью концентрированных источников энергии различной физической природы. В этом смысле и обкатывание можно отнести к этой группе.

Для данных методов характерна локальность темосилового воздействия на покрытие. Степень локализации воздействия зависит от энергетических и силовых характеристик воздействия. В большинстве своем представленные методы не требуют для обработки специальных камер и могут осуществляться непосредственно на воздухе.

Наиболее простой и широкоисполь зуемый способ улучшения структуры покрытий - это способ их оплавления с помощью газовой или плазменной горелки.

Для последующего оплавления пригодны покрытия из специальных твердых сплавов, которые обладают способностью самофлюсования.

ч

Это сплавы на никелевой основе (ПГ-СР2, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4, СНГН, ПН70Х17С4Р4 и др.). Они имеют низкую температуру плавления (1277...1377 К), а наличие в их составе бора и кремния способствует самофлюсованию и хорошей смачиваемости поверхности оплавляемого изделия С18]. Раскислители (кремний и бор) при оплавлении связывают кислород, образуя боросиликатные шлаки (В2О3, S1O2)> легко всплывающие на поверхность покрытия [16].

Оплавленные самофлюсующиеся покрытия имеют сложную микроструктуру. В нее входят эвтектики различного состава, упрочняющие кристаллы и твердый раствор элементов в никеле С123. Оплавление самофлюсующихся покрытий приводит к уплотнению напыленного слоя, образованию хорошего соединения между покрытием и подложкой, увеличению прочности соединения и обеспечивает их высокую стойкость в условиях абразивного изнашивания С19].

Проведенные исследования показывают, что твердость оплавленного покрытия из сплава ПГ-СРВ составляет HRC9 49...53 С183, а оплавленое покрытие из самофлюсующегося порошка СНГН имеет твердость HRCa 55...65 [14], что в 1,4...1,6 раз выше, чем у неоплав-ленных покрытий [81. При этом пористость оплавленных покрытий составляет менее 2% [8], а прочность соединения покрытия с основой (измерения проводились с помощью штивтового метода) достигает 320...480 МПа [20]. По данным исследований Кудинова В.В. и Иванова В.М. [213 износостойкость пары трения "оплавленное покрытие из сплава Ni-Cr-B-Si - сталь" в абразивно-масляной прослойке выше, чем пар "сталь - сталь", "сталь - чугун" в 4...9 раз при удельных нагрузках 1,5...10 МПа и скоростях скольжения 8...54 м/мин. При этом износ сталей, работающих в паре с покрытием, уменьшается в 1,5...2,5 раза. Авторы [22] исследовали износостойкость стали У8А с твердостью 58...62 HRC3, стали 45 с твердостью 40...45 HRC3, поверхностного слоя сплава СНГН, нанесенного на образцы газотермическим напылением. Результаты показали, что износостойкость образцов с покрытием, работающих в паре с контробразцами из стали 45 и У8А, была в 7...8 раз выше, чем у аналогичных образцов без покрытия.

Однако у этого метода упрочнения газотермических покрытий имеется ряд недостатков. Процесс оплавления является трудоемким.

Применение дорогих самофлюсующихся порошков значительно повышает себестоимость восстановления С233. К тому же при оплавлении, как правило, происходит закрытие пор лишь с внешней поверхности покрытия, в подповерхностных слоях покрытия поры сохраняются С12]. Это приводит к тому, что при эксплуатации оплавленных газотермических покрытий в условиях контактных взаимодействий в процессе изнашивания происходит раскрытие пор. Значительные термические нагрузки на основу при оплавлении покрытий существенно снижают циклическую долговечность детали с покрытием, вызывают �