автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологии индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования

РГБ

ОД

ИНСТИТУТ НАДЕЖНОСТИ МАШИН АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

УДК 621.762.55:621.762.4

ХУДОЛЕЙ Андрей Леонидович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИНДУКЦИОННОГО ПРИПЕКАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСЛОЙНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО

ФОРМОВАНИЯ

05.02.08 — технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск - 1997

Работа выполнена в лаборатории износостойких покрытий деталей машин Института надежности машин Академии наук Беларуси

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Кашицин Л.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ярошевич В.К.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Белоцерковский М Л.

Оппонирующая организация: Научно-производственное

объединение "Машиностроитель", г.Гомель

Защита состоится "13 "ишя 1997 года на заседании Совета по

защите диссертаций Д 01.15.01 в Институте надежности машин АН Беларуси (220072, г.Минск, ул.Ф.Скорины, 12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института надежности машин АН Беларуси.

Автореферат разослан " 10 " апреля 1997 года.

Ученый секретарь Совета ггц'"?^ по защите диссертаций /

к.т.н., с.н.с. ^ В.А.Андрияшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Наибольшее количество быстроизнашиваемых деталей машиностроительных предприятий Республики Беларусь относится к простейшим цилиндрическим изделиям, работающим в узлах трения машин. Номенклатура таких деталей включает втулки и подшипники скольжения из бронзы. Низкая стойкость их внутренних рабочих поверхностей приводит к повышенному потреблению цветных металлов, которые предприятия республики покупают в странах ближнего зарубежья. В этой связи необходима разработка эффективных технологий нанесения антифрикционных покрытий на рабочие поверхности деталей. Весьма перспективной для данной номенклатуры деталей является технология индукционного центробежного припекания порошковых покрытий. Однако для получения качественных покрытий необходимо равномерно распределить порошковый материал в холодном состоянии на внутренней поверхности заготовки с образованием осесимметричного профиля сформованного слоя, что на практике не всегда удается. Нагрев осесимметричного сформованного материала обеспечивает стабильность физико-механических характеристик припекаемых покрытий. Величина припусков на механическую обработку, расход порошкового материала, а также физико-механические характеристики припекаемых покрытий в значительной мере зависят от метода формования. Известно центробежное формование порошковых материалов во вращающейся заготовке с наложением электромагнитного поля, вибро-центробежное, планетарное, центрифугирование суспензий, двустадийное формование, а также некоторые другие способы. Их применение требует изготовления специальной оснастки, устройств, а в некоторых случаях и оборудования, что приводит к увеличению стоимости изготовления • биметаллических деталей. Кроме того, большинство способов имеет ограниченное применение и для них отсутствуют научно обоснованные рекомендации по определению технологических параметров процесса формования.

Таким образом, является актуальной разработка технологии центробежного индукционного припекания порошковых покрытий с более универсальным способом формования. Технологии, которая позволит получать осесимметричный профиль свободной поверхности у припекаемых покрытий независимо от типоразмера детали, уменьшить расход порошкового материала, а также улучшить физико-механические характеристики покрытий и повысить качество готового изделия.

Связь работы с крупными научными программами, темами

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданиями республиканских научно-технических программ 1.08 "Ресурсосбережение" на 1993-1995 годы, 135 "Новые материалы и технология их переработки" на 19951997 годы, 5.02 "Триботехника" на 1994-1996 годы.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы является разработка технологии индукционного припекания с использованием центробежного послойного формования, обеспечивающей снижение припусков на механическую обработку и улучшение физико-механических характеристик припекаемых покрытий, а также разработка технологических основ процессов нанесения бронзы на бронзу.

Для реализации указанной цели в работе поставлены следующие основные задачи:

1. Теоретически обосновать метод послойного центробежного формования порошковых материалов в холодном состоянии и получить расчетные зависимости для определения технологических параметров процесса, составить программу для вычисления параметров на ПЭВМ.

2. Экспериментально исследовать кинематику движения и кинетику формования порошковых материалов различной дисперсности и определить основные факторы и параметры, влияющие на процесс холодного формования.

3. Установить взаимосвязь физико-механических характеристик припекаемых покрытий с параметрами индукционного нагрева, изучить процесс структурообразования покрытий.

4. На основе проведенных исследований разработать технологический процесс индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования, технологические рекомендации, схемы и оснастку для нанесения бронзовых порошковых покрытий на внутренние и наружные поверхности изношенных деталей из бронзы.

Научная новизна полученных результатов

Теоретически обоснован и разработан метод послойного центробежного формования, определены режимы, обеспечивающие получение осесимметричного профиля сформованного покрытия.

Впервые показано, что при центробежном формовании проскальзывание порошковой массы влияет на значение критической скорости вращения заготовки и траектории движения отдельных частиц порошка. Получена зависимость значения критической скорости от коэффициентов эффективного трения и заполнения внутренней полости заготовки. Установлено, что

формообразование покрытия происходит в диапазоне скоростей вращения заготовки. Определен диапазон скоростей формования покрытия.

Экспериментально исследована кинетика формования покрытий из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперсностью (-400+315) мкм, (-63) мкм и электролитического порошка меди ПМС-1. Установлено, что характер увеличения скорости вращения заготовки в диапазоне скоростей формования оказывает наибольшее влияние на геометрию покрытия. Для процесса нанесения покрытия из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 на втулку из бронзы Бр.С)Ф6,5-0,15 построена температурно-врсменная область, позволяющая графически определять оптимальные параметры индукционного нагрева осесимметрично сформованного слоя.

Практическая значимость и реализация результатов работы Разработана технология индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования, применение которой позволяет снизить припуски на механическую обработку покрытий, повысить качество готового изделия. Составлена программа расчета технологических параметров послойного формования на ПЭВМ. Разработаны технологические рекомендации и оснастка для нанесения бронзовых порошковых покрытий на внутренние и наружные (положительное решение по заявке № 2531 РБ) поверхности изношенных деталей из бронзы. Расширены технологические возможности индукционного центробежного метода.

Практическая значимость результатов работы подтверждается внедрением технологии восстановления бронзовых втулок верхних головок шатунов и втулок распредвалов тракторных двигателей Д-50, Д-240 и немецких автомобильных двигателей 4ВД, 6ВД на Дзержинском моторемонтном заводе, а также внедрением технологии изготовления биметаллических гаек задвижек ЗКЛН-250,200,150 на ПО "Нафтан". Экономическая значимость полученных результатов Годовой эффект от внедрения технологии восстановления бронзовых втулок на Дзержинском моторемонтном заводе составил 194,9 миллионов рублей. Экономия бронзы на ПО "Нафтан" при изготовлении по внедренной технологии биметаллических гаек задвижек в количестве 300 штук составила 2,5 тонны.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту 1. Технологический процесс индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования, позволяющий снизить припуски на механическую обработку покрытий и повысить качество готового изделия, расширяющий область применения и технологические возможности индукционного центробежного метода нанесения покрытий.

2. Теоретическое обоснование метода послойного центробежного формования. Расчетные зависимости скорости вращения и ускорения разгона заготовки с порошковой засыпкой, определяющие послойный режим формования.

3. Экспериментальные зависимости прочности сцепления, пористости и микротвердости припеченных покрытий из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 к бронзовой основе из Бр.0ф6,5-0,15 от параметров индукционного нагрева. Результаты экспериментальных исследований кинетики формования покрытий из порошка бронзы Бр.ОФЮ-] к меди ПМС-1.

4. Технологические рекомендации, схемы и оснастка для нанесения бронзовых порошковых покрытий на внутренние и наружные поверхности изношенных деталей из бронзы.

Личный вклад соискателя

Автором лично выполнены теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие обосновать и разработать технологию индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования. Совместно с соавторами публикаций произведены исследования но стабилизации режимов индукционного нагрева, а также разработаны технологические схемы и оснастка для нанесения покрытий на наружные поверхности деталей.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на республиканской научно-технической конференции "Проблемы качества и надежности машин" (Могилев, 1994 г.), на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1994 г.), на межгосударственном научно-техническом семинаре "Проблемы физики процессов припекания, наплавки защитных порошковых покрытий и теплофизики в производстве" (Таганрог, 1995 г.), на II республиканской научно-технической конференции "Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1995 г.), на международной научно-технической конференции и ярмарке-выставке "Оснастка-95" (Киев, 1995 г.), на 25-м, 26-м и 27-м межгосударственных семинарах "Защитные покрытия" (Минск, 1994, 1995, 1996 гг.), на 6-й научной школе стран СНГ по механической обработке дисперсных материалов и сред "Вибротехнология-96" (Одесса, 1996 г.), а также на международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс" (Севастополь, 1996 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 статьи и 10 тезисов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 195 страниц машинописного текста, включает 48 рисунков (40 стр.) и 2 таблицы (1 стр.), список литературы (124 наименования, 16 стр.) и 4 приложения (44 стр.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассмотрены особенности технологии индукционного центробежного припекания покрытий. На основании литературного обзора установлено, что процесс является эффективным и высокопроизводительным при одновременном использовании температурного, силового и химического активирования.

Отмечено, что качество готовой продукции при индукционном центробежном припекании покрытий в значительной мере определяется способом формования. В этой связи проанализированы известные способы центробежного формования покрытий из порошковых материалов.

В заключительной части обзора рассмотрены способы восстановления деталей из бронзы. Обоснована необходимость для Республики Беларусь разработки новых способов, позволяющих восстанавливать нанесением покрытий большую часть номенклатуры изнашивающихся деталей из бронзы.

Во второй главе изложена общая методика проведения исследований, показаны экспериментальное оборудование, оснастка и образцы.

Исследование процесса формования проводилось полномасштабно на центробежной установке ДЯФ 3.025М производства ИНДМАШ АНБ. В специально выполненный стакан с прозрачной крышкой, установленный на центробежной установке, помещалась порошковая масса. Затем осуществлялось вращение стакана и при помощи фотоаппарата "Зенит-ЕТ" с объективом "Helios-44M-4" фиксировались процессы, происходящие с порошком во внутренней полости стакана. В качестве модельного материала для изучения процесса формования использовался порошок бронзы Бр.ОФЮ-1 (ТУ 26-130-76) различных фракций, а также порошок меди ПМС-1 (-100) мкм. Частота вращения стакана устанавливалась и измерялась при помощи цифрового тахометра ТЦ-ЗМ и блока управления ЭТ1Е2 электроприводом шпиндельного узла центробежной установки. На основании полученных

фотоснимков изучалась и строилась картина процесса формования, выявлялся и анализировался характер распределения порошкового слоя на внутренней поверхности стакана.

Для изучения процесса структурообразования покрытия, исследования физико-механических характеристик припеченных и наплавленных покрытий, построения температурно-временных областей осуществлялся процесс нанесения покрытия с целью получения соответствующих образцов. Покрытия из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 (-400+315) мкм наносились на центробежной установке на внутренние поверхности бронзовых втулок (Бр.ОФ6,5-0,15) верхней головки шатуна тракторных двигателей Д-50 и Д-240. Из полученных втулок с покрытиями вырезались необходимые образцы.

Припекаемость покрытий к основе оценивалась по прочности их-сцепления. Испытания проводились на универсальной разрывной машине типа Р-20 в специальном приспособлении. Для достоверного определения прочности сцепления обеспечивалось структурное подобие образцов реальным деталям, исключалось влияние пластической деформации на величину условного сопротивления срезу. При этом скорость нагружения образца составляла 10-4 м/с, площадь контакта покрытия с основой превышала 2« 10 6 м2, а параметр шероховатости рабочих поверхностей приспособления не превышал 11а=0,32 мкм.

Для исследования внутреннего строения покрытий использовался микроструктурный анализ, в ходе которого устанавливался характер изменений внутреннего строения от параметров индукционного нагрева, изучался фазовый состав, определялись несплошности различного происхождения, исследовалась зона соединения покрытия с основой. Для этих целей изготавливались по общепринятой методике поперечные микрошлифы. Изучение и фотографирование микроструктуры проводилось на оптическом микроскопе "ЫеорЬо1-2Г' при увеличении в 50 раз.

Определение микротвердости образцов проводилось по принципу Виккерса согласно ГОСТ 9450-78, для чего был использован микротвердомер модели МУК-О фирмы "АказЫ" (Япония).

Пористость покрытий определялась в соответствии с ГОСТ 25281-82. С помощью электронно-вычислительного анализатора изображения "Ыапо1аЬ" автоматически определялись количество, площадь, длина, периметр, форма элементов структуры изучаемой поверхности микрошлифа с точностью определения линейных размеров до 0,2 мкм.

Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) использовался для определения количественного распределения химических элементов на поверхности образцов. РСМА проводили на микроаналиьаторе МБ-46 фирмы

"Сатеса" (Франция). Исследования проводились по трем элементам: меди, олову и фосфору.

Для снижения затрат на исследования процесса формования и физико-механических свойств припекаемых покрытий применялся полный факторный эксперимент для двухуровневых факторов с матрицами 22 и 23. При обработке экспериментальных данных использовался регрессионный анализ.

Третья глава посвящена разработке теоретических основ холодного центробежного формования порошковых материалов.

Формование порошкового материала на внутренней поверхности заготовки начинается при достижении заготовкой скорости вращения равной критической Икр. Поэтому важно знать ее точное значение. Теоретический анализ действия сил на единичную порошковую частицу для ее различных положений выявил влияние коэффициента трения ц на значение критической скорости. С уменьшением коэффициента трения значение критической скорости возрастает по гиперболической зависимости. При получении расчетной зависимости для определения критической скорости вращения заготовки в случае помещения в ее внутреннюю полость порошковой массы рассматривали условие равновесия порошковой массы по методу круглоцилиндрических поверхностей механики сьшучих сред. Установлено, что в этом случае критическая скорость вращения заготовки зависит от коэффициентов трения ц и заполнения к внутренней полости заготовки. Причем зависимость носит сложный характер — от линейной до гиперболической.

Центробежное формование объемной дозы порошка, помещенной во внутреннюю полость заготовки, происходит в результате действия центробежных сил, которые отбрасывают к внутренней поверхности заготовки частицы порошка, образуя тем самым покрытие. Равномерность распределения частиц порошка на внутренней поверхности заготовки (рис.1) существенно зависит от величины межчастичного трения, которое, в свою очередь, определяется размером, формой, состоянием поверхности порошковых частиц, а также величиной центробежных сил, изменяющихся во времени.

При формовании слоя, состоящего из определенного конечного количества элементарных слоев, критическая скорость удержания будет различной для каждого элементарного слоя, а скорость вращения, при которой удерживается весь слой, будет функцией радиуса внутренней полости заготовки, толщины и времени формования покрытия. Таким образом, формообразование порошкового слоя происходит в диапазоне скоростей: от критической скорости вращения заготовки до критической скорости

удержания всего слоя. Формование же элементарного порошкового слоя, в свою очередь, осуществляется в промежутке скоростей: от критической скорости удержания предшествующего элементарного слоя до критической скорости последующего.

Сущность метода послойного центробежного формования заключается в том, что скорость вращения заготовки с порошковой засыпкой в диапазоне скоростей формования увеличивают в соответствии с расчетной зависимостью. При этом слой требуемой конечной толщины формуется постепенно путем удержания на внутренней поверхности заготовки элементарных слоев. При достижении заготовкой скорости, равной критической скорости удержания первого элементарного слоя, происходит его формование, в то время как другие частицы порошка движутся криволинейно, не оказывая воздействия на формуемый элементарный слой. Затем сформованный слой подвергается ударному воздействию падающих частиц, которые ранее начали двигаться по траекториям, отличным от траектории движения формуемого слоя.

В результате этого частично ликвидируются в ранее сформованном порошковом слое дефекты типа арок, куполов и пустот, возникших из-за недостаточного межчастичного скольжения при формовании слоя. Далее происходит формование следующего слоя и т.д. Для качественного формования всего слоя необходимым условием является прохождение заготовкой па критической скорости удержания элементарного слоя как минимум одного оборота вокруг собственной оси, совпадающей с горизонтальной осью вращения.

На основе рассмотрения модели элементарного слоя, находящегося на поверхности, получена расчетная зависимость для определения закона изменения скорости вращения заготовки в диапазоне скоростей формования:

Рис.1. Порошковый слой из Бр.ОФЮ-1 (+400-315) мкм, сформованный в результате разгона заготовки до ю= 104,7 рад/с, время разгона 1=3 с, к=0,4; К=2,65-10-2м

со - а(Яг

Г .0)

4 71

а — параметр, определяемый из соотношения коэффициентов трения и засыпки;

Ы — радиус внутренней полости заготовки, м; И — толщина элементарного слоя, м; I — время формования, с.

Изменение скорости вращения заготовки в соответствии с расчетной зависимостью (1) обеспечивает послойный режим формования и позволяя-получать осесимметричный профиль сформованного порошкового слоя с разнотолщшшостью не более высоты Ь элементарного слоя. Зависимость скорости вращения и углового ускорения заготовки при формовании бронзового сферического порошка Бр.ОФЮ-1 дисперсностью 315-400 мкм в диапазоне скоростей формования от времени формования показана на рис.2

В работе составлена программа расчетов на ПЭВМ критической скорости вращения заготовки, диапазона скоростей формования, режимов послойного центробежного формования.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований кинетики формования покрытий послойным центробежный способом и формоизменения асимметрично сформованного покрытия, результаты исследований микроструктуры, пористости, адгезионной прочности, микротвердости, фазового состава наплавленных и припеченных порошковых покрытий.

В результате экспериментального изучения кинетики формования покрытия из сферического порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперсностью (-400+315) мкм и (-63) мкм, а также электролитического порошка меди ПМС-1 грануляцией менее 100 мкм показана возможность реализации послойного центробежного метода (рис.3). При этом описаны каскадный, водопадно-каскадный, водопадный и круговой режимы перемещения порошковой массы во внутренней полости заготовки.

На примере порошка Бр.ОФЮ-1 (-400+315) мкм показано, что степень заполнения внутренней полости заготовки влияет на кинематику движения порошковой массы. Сравнительный анализ кинетики формования порошка Бр.ОФЮ-1 (-400+315) мкм и (-63) мкм при одинаковом коэффициенте заполнения к=0,4 выявил различие значений критических скоростей — начала формования.

Рис.2. Зависимость скорости вращения (1) и углового ускорения (2) заготовки от времени формования покрытия: 1^=2,65-10-2 м; к=0,4; Ь=410"4 м

При вращении заготовки с постоянной скоростью действие центробежных сил на элемент сыпучей среды в радиальном направлении неизменно, а действие сил тяжести изменяется по гармоническому закону. Поэтому равнодействующая сила, действующая в радиальном направлении, также как и сила тяжести, изменяется по гармоническому закону. Для значений центробежных сил, соизмеримых с соответствующими силами тяжести, амплитуда колебаний равнодействующих сил может ^ приближаться вплоть до самой величины равнодействующих сил. При этом возможны структурно-объемные преобразования порошковой системы за счет эффекта псевдотекучссти. Экспериментальное изучение изменений геометрии порошкового слоя с начальной асимметричной формой выявило для порошковых материалов грануляцией до двух миллиметров с сферической и несферической формой частиц наличие незначительных преобразований геометрии слоя, недостаточных для получения осесимметричного профиля покрытия.

Рис.3. Послойное центробежное формование покрытия из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперсностью 315-400 мкм: оз=24,6 рад/с; Я=2,65:10-* м; к=0,4

Результаты металлографического анализа образцов из бронзы Бр.ОФ6,5-0,15 с припеченными и направленными покрытиями из порошка Бр.ОФЮ-1 показали зависимость структурообразования покрытия, изменение размеров зерен дендридов и их структурной ориентации от режимов индукционного нагрева и последующего охлаждения. В работе исследованы при увеличении в 50 раз и описаны структуры начала припекания покрытия (Т=1073 К; х=3'102 с), припекания покрытия, перехода из области припекания в область расплавления (Т=1163 К; т=4,2*102 с), а также структура наплавленного покрытия (Т=1263 К; т=60 с). Определено, что увеличение изотермической выдержки до 4,2» 102 с и более при температуре 1113 К приводит к пережогу структуры и огрублению зерен припекаемого порошка.

В результате исследования зависимости физико-механических характеристик покрытий от параметров индукционного нагрева установлено, что микротвердость покрытий из Бр.ОФЮ-1 изменяется в пределах 620-785 МПа. Минимум микротвердости наблюдается при полном расплавлении материала покрытия и спекании порошка с образованием незначительных межчастичных связей. Увеличение микротвсрдости наблюдается с ростом изотермической выдержки до (3,0-4,2)*102 с при температурах припекания 10701120 К. Максимум микротвердости покрытия соответствует процессу припекания покрытия, проводимому при температуре 1120-1170 К с изотермической выдержкой в 3« 102 с.

Для температур припекания 1070-1220 К при постоянном значении выдержки в 3*102 с предел прочности при срезе увеличивается с ростом температуры от 70 до 240 МПа. Причем незначительное возрастание предела прочности с 215 до 240 МПа происходит при изменении температуры от 1140 до 1220 К. Увеличение времени выдержки с 0,6 до 4,2-102 с при постоянной температуре припекания в 1170 К приводит к возрастанию предела с 150 до 230 МПа. Росту выдержки в диапазоне 2,2 до 4,2*102 с соответствует незначительное увеличение предела прочности при срезе с 215 до 230 МПа

Пористость покрытий, припеченных при температуре 1070 К (г=3*102 с), возрастает по мере удаления от линии контакта покрытия с основой в два раза: с 14 до 28%. Увеличение температуры припекания до 1120 К позволяет получать покрытия с пористостью 12-17%, однако в основном пористость представлена порами значительных размеров. Уменьшение размеров пор и пористости до 2-8% наблюдается при температуре 1170 К.

Количественный анализ распределения элементов в покрытии и основе показал их равномерное распределение и нахождение в количестве, соответствующем для данных марок бронз.

В результате структурных и физико-механических исследовании построена температурно-временная область (рис.4) образования заданных структур покрытий из бронзы Бр.ОФЮ-1 (-400+315) мкм на бронзовой основе из Бр,0ф6,5-0,15.

В пятой главе разработан типовой технологический процесс индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования. Типовой технологический маршрут нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей типа втулка как при изготовлении, упрочнении, так и при восстановлении включает в себя расточку отверстия втулки на токарно-винторез-ном станке, сборку оснастки, припекание покрытия, которое выполняют на центробежной установке с обеспечением послойного режима формования порошкового материала в холодном состоянии и производят нагрев сборки индуктором ТВЧ, охлаждение детали с припеченным покрытием, разборку оснастки, механическую обработку покрытия и контроль его качества.

Разработаны технологические схемы процессов нанесения бронзы на бронзу. Для восстановления изношенных деталей из бронзы порошковыми покрытиями, изготовления би- и триметаллических деталей индукционным центробежным методом предложено использовать, защитную оболочку. Причем детали, имеющие сложный профиль наружной поверхности, необходимо восстанавливать в составной оболочке, а при изготовлении триметаллических деталей защитная оболочка становится одной из составляющих частей детали. Для повышения производительности технологического процесса припекания произведена автоматизация операций нагрева заготовки и послойного центробежного формования покрытия. С этой

Рис.4. Температурно-временные области образования заданных структур покрытий: 1 — структуры припекания; 2 — расплава; 3,4 — смешанные (переходные) структуры; 5 — отсутствие структур припекания

целью разработаны системы автоматического регулирования режимов послойного центробежного формования и режимов индукционного нагрева.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана технология индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования и средства для ее реализации. Технология позволяет получать осесимметричный профиль свободной поверхности у припекаемых покрытий, что обеспечивает уменьшение припусков на механическую обработку и снижение расхода порошкового материала. Достигнуто в результате припекания покрытий из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперсностью менее 63 мкм уменьшение припусков на механическую обработку в 5,3 раза и снижение расхода порошкового материала в 2,9 раза. Для обеспечения послойного центробежного формования и стабилизации индукционного нагрева заготовок разработаны системы автоматического регулирования скорости вращения заготовки, температуры и времени изотермической выдержки.

2. Установлено, что критическая скорость (Окр вращения заготовки, при которой начинается процесс центробежного формования, зависит от коэффициентов заполнения к внутренней полости заготовки сыпучим материалом и эффективного трения р. порошка о внутреннюю поверхность заготовки, причем как с уменьшением коэффициента заполнения, так и трения значение критической скорости возрастает. Получены расчетные зависимости для определения критической скорости вращения заготовки. Уточнено уравнение движения частицы по параболической траектории.

3. Теоретически обоснован и разработан метод послойного центробежного формования. Установлено, что покрытие формуется в диапазоне скоростей вращения заготовки: от критической скорости вращения заготовки до критической скорости удержания всего порошкового слоя. Для определения технологических параметров послойного центробежного формования получены расчетные зависимости скорости вращения и ускорения разгона заготовки с порошковой засыпкой от времени формования. Создана программа расчета указанных параметров на ПЭВМ.

4. Выполнены экспериментальные исследования по изучению кинематики движения и кинетики формования порошковой массы. На примере порошка бронзы Бр.ОФШ-1 дисперсностью менее 63 мкм и 315-400 мкм, а также электролитического порошка меди ПМС-1 (-100) мкм показано, что при послойном центробежном формовании осесимметричный профиль сформованного покрытия можно получать для порошковых материалов

дисперсностью менее 100 мкм с правильной и неправильной формой частиц. Сравнительный анализ кинематики движения порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперностью 315-400 мкм во вращающейся заготовке (R=2,65-10-2 м) при коэффициентах заполнения 0,4 и 0,7 выявил различие на 11% значений критических скоростей начала формования, причем большее значение критической скорости 21,7 рад/с соответствует меньшему коэффициенту заполнения.

5. Установлено, что при центробежном формовании из-за наложения полей силы тяжести и центробежных сил порошковый материал находится в условиях переменных силовых воздействий. Экспериментальные исследования возможности изменения асимметричной формы покрытия за счет указанных воздействий показали, что у покрытий из порошковых материалов грануляцией до 2 миллиметров происходит уменьшение асимметрии, которое, однако, не приводит к образованию осесимметричного профиля покрытия. Так, для покрытия из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 (-63) мкм максимальное значение относительной поперечной разнотолщинности уменьшилось с 6,7 до 3,6-103 м за 1,2-103 секунды.

6. Для диапазона температур 1050-1250 К и изотермической выдержки (0,6-4,2)-102 с построена температурно-временная область образования заданных структур покрытий из порошка бронзы Бр.ОФШ-1 (-400+315) мкм на бронзовом основании из Бр,0ф6,5-0,15. При этом установлены зависимости микротвердости, пористости и предела прочности при срезе припеченных покрытий от температуры и изотермической выдержки. Показано, что при припекании покрытия из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 к бронзовой втулке из Бр.ОФ6,5-0,15 можно получать покрытия пористостью 2-8%, микротвердоегью до 785 МПа, пределом прочности при срезе до 215 МПа.

7. Технологические процессы, оборудование и необходимая оснастка для нанесения покрытий индукционным центробежным методом с использованием послойного формования внедрены на Дзержинском моторемонтном заводе и ПО "Нафтан". Годовой эффект от внедрения технологии восстановления бронзовых втулок на Дзержинском моторемонтном заводе составил 194,9 миллионов рублей. Экономия бронзы на ПО "Нафтан" при изготовлении по внедренной технологии биметаллических гаек задвижек в количестве 300 штук составила 2,5 тонны.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ресурсосберегающая технология изготовления биметаллических деталей машин центробежным методом взамен целыюбронзовых // Л.П.Кашицин,

И.А.Сосновский, А.И.Жорник, С.Н.Кихтенко, А.Л.Худолей // Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии: Тез. докл. конф. — Гродно, 1994, —С. 109-110.

2. Технология нанесения покрытий на бронзовые детали центробежным индукционным методом // Л.П.Кашицин, А.Л.Худолей, И.А.Кирпиченко, А.И.Жорник // Проблемы качества и надежности машин: Тез. докл. конф. — Могилев, 1994. — Ч. 1. — С. 92.

3. Технология изготовления и восстановления деталей узлов трения индукционной сваркой коаксиальных цилиндрических заготовок /I И.А.Кирпиченко, С.И.Черных, А.Л.Худолей, С.Н.Кихтенко // Проблемы качества и надежности машин: Тез. докл. конф. — Могилев, 1994. — Ч. 2. — С. 25.

4. Восстановление бронзовых деталей бронзовыми порошковыми покрытиями с использованием центробежного метода и индукционного нагрева // Н.Н.Дорожкин, Л.П.Кашицин, А.Л.Худолей, Ю.Ф.Попов // Проблемы физики процессов припекания, наплавки защитных порошковых покрытий и теплофизики в производстве: Тез. докл. межгос. н.-техн. семинара. — Таганрог, 1995. —С. 16.

5. Кашицин Л.П., Худолей А.Л. Трехслойный подшипник скольжения и способ его изготовления // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин. Тематический сб. Вып. 2. — Новополоцк, 1995. — С. 56-57.

6. Худолей А.Л., Кашицин Л.П., Абрамович Т.М. Метод послойного центробежного формования припекаемых порошковых покрытий // Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин. Тематический сб. Вып. 2. — Новополоцк, 1995, —С. 120-121.

7. Кашицин Л.П., Худолей А.Л., Сосновский И.А. Технологическая оснастка для осуществления процесса восстановления бронзовых деталей // Оснастка-95: Тез. докл. междунар. н.-техн. конф. и ярмарки-выст. — Киев, 1995, —С. 48.

8. Исследование обрабатываемости порошковых покрытий из самофлюсующихся сплавов на железной основе / Л.П.Кашицин, И.А.Сосновский, А.Л.Худолей, В.В.Ничипор // Производство и ремонт механизмов и машин в условиях конверсии: Тез. докл. конф. — Крым-Киев, 1995. —С. 59.

9. Центробежное припекание покрытий со стабилизацией режимов индукционного нагрева / Л.П.Кашицин, И.А.Сосновский, А.Л.Худолей,

И.А.Жорник // Ред. журн. "Весщ АН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук". — Минск, 1995. — 7 с. — Деп. ВИНИТИ 02.08.95, № 2376-В95.

Ю.Гафо Ю.Н., Кашицин Л.П., Худолей A.JI. Послойное центробежное формование порошковых материалов // Вибротехнология-96: Материалы 6-ой науч. шк. стран СНГ по мех. обраб . дисперсных материалов и сред. Ч. 3. — Одесса, 1996. — С. 49-51.

11 .Metal-saving technology of bimetallic part production / I.A.Sosnovsky, Y.N.Gapho, A.L.Khudoley, I.V.Shyroky // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тез. докл. междунар. н.-тсхн. конф. — Донецк, 1996. — С. 285.

12.Kashitsin L.P., Khudoley A.L., Sosnovsky I.A. Physico-dynamic characteristics of centrifugal molding // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тез. докл. межунар. п.-техн. конф. — Донецк, 1996. — С. 280-281.

13.Кашицин Л.П., Худолей A.JI. Центробежное формование порошковых покрытий И Beciji АН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. — 1996, № 3. — С. 56-59.

РЭЗЮМЕ ХУДАЛЕЙ АНДРЭЙ ЛЕАНЩАВ1Ч РАСПРАЦОУКА ТЭХНАЛОГП1НДУКЦЫЙНАГА ПРЫПЯКАННЯ3 ВЫКАРЫСТАННЕМ ЦЭНТРАБЕЖНАГА ПА СЛОЙНАГА ФАРМАВАННЯ

Ключа выя словы: тэхналогш, пакрыццё, тдукцыйлае прыпяканне, цэнтрабежнае фармаванне, бронза.

Аб'ектам даследавання дадзеиай дысертацыйиай работы' з'яуляецца тэхналапчны працэс шдукцыйнага цэнтрабежнага прыпякання параппсовых пакрыццяу. Мэта работы — распрацоука тэхналогп шдукцыйнага прыпякання з выкарыстагшем паслойнага цэнтрабежнага фармавання, якая забяспечвае зшжэнне прыпускау на мехашчную апрацоуку 1 паляпшэнне ф1зжа-мехашчпых характарыстык прыпякаемых пакрыццяу, а таксама распрацоука тэхналапчных асноу працэсау нанясення бронзы на бронзу.

У рабоце паказана, што пры цэнтрабежным фармаванш крытычная хуткасць вярчэння загатоуш залежыць ад каэфщыентау запаунення 1 зфектыунага трэння. Вызначана, што парашковы слой на унутранай паверхш загатоук1 фарм1руецца паступова у дыяпазоне хуткасцяу фармавання, Экспериментальна выяулена, што характар паветпчэння хуткасш вярчэння загатоук1 у дыяпазоне хуткасцяу фармавання робщь найбольшы упиыу на геаметрыю пакрыцця. Тэарэтычна абгрунтаваны метад паслойнага цэнтрабежнага фармавання парашковых матэрыялау у халодным стане 1 атрыманы разлжовыя залежнасщ для выяулення тэхналапчных параметрау працэсу. Эксперыментальна даследавана кшетыка фармавання пакрыццяу са сферычнага парашку бронзы Бр.ОФЮ-1 дысперснасщо менш 63 мкм I 315-400 мкм, а таксама электралпычнага парашку медз1 ПМС-1 (-100) мкм. Для працэсу нанясення пакрыццяу з парашку бронзы Бр.ОФЮ-1 на унутраныя паверхш бронзы Бр,ОФ6,5-0,15 атрыманы эксперыментальныя залежнасщ трываласщ счапленн?, порыстасщ, мшрацвёрдасщ прыпечаных пакрыццяу 1 пабудавана тэмпературна-часовая вобласць утварэння зададзеных структур пакрыццяу. Распрацаваны схемы, аснастка 1 тэхпалапчныя рэкамендацьп для нанясення бронзавых парашковых пакрыццяу на унутраныя 1 вонкавыя паверхш дэталяу з бронзы.

На падставе вышкау работы распрацавана тэхналопя ¿ндукцыйнага прыпякання з выкарыстаннем цэнтрабежнага паслойнага фармавання. Выкананы два прамысловых укаранення.

РЕЗЮМЕ ХУДОЛЕЙ АНДРЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИНДУКЦИОННОГО ПРИПЕКАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПОСЛОЙНОГО ФОРМОВАНИЯ

Ключевые слова: технология, покрытие, индукционное припекание, центробежное формование, бронза.

Объектом исследования данной диссертационной работы является технологический процесс индукционного центробежного припекания порошковых покрытий. Цель работы — разработка технологии индукционного припекания с использованием послойного центробежного формования, обеспечивающей снижение припусков на механическую обработку и улучшение физико-механических характеристик припекаемых покрытий, а также разработка технологических основ процессов нанесения бронзы на бронзу.

В работе показано, что при центробежном формовании критическая скорость вращения заготовки зависит от коэффициентов заполнения и эффективного трения. Установлено, что порошковый слой на внутренней поверхности заготовки формируется постепенно в диапазоне скоростей формования. Экспериментально определено, что характер увеличения скорости вращения заготовки в диапазоне скоростей формования оказывает наибольшее влияние на геометрию покрытия. Теоретически обоснован метод послойного центробежного формования порошковых материалов в холодном состоянии и получены расчетные зависимости для определения технологических параметров процесса. Экспериментально исследована кинетика формования покрытий из сферического порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 дисперсностью менее 63 мкм и 315-400 мкм, а также электролитического порошка меди ПМС-1 (-100) мкм. Для процесса нанесения покрытий из порошка бронзы Бр.ОФЮ-1 на внутренние поверхности бронзы Бр.0ф6,5-0,15 получены экспериментальные зависимости прочности сцепления, пористости, микротвердости припеченных покрытий и построена температурно-временная область образования заданных структур покрытий. Разработаны схемы, оснастка и технологические рекомендации для нанесения бронзовых порошковых покрытий на внутренние и наружные поверхности деталей из бронзы.

На основании результатов работы разработана технология индукционного припекания с использованием центробежного послойного формования. Выполнено два промышленных внедрения.

SUMMARY by KHUDOLEY ANDREY LEONIDOVICH DEVELOPMENT OF INDUCTION SINTERING TECHNOLOGY USING CENTRIFUGAL MOLDING IN LAYERS

Key words: technology, cover, induction sintering, centrifugal molding, bronze.

The object of investigation of the given thesis is induction centrifugal sintering technological process of powder covers. The aim of the work is development of induction sintering technology using centrifugal molding in layers which provides machining allowance reduction and improving physical and mechanic characteristics of sintered covers as well as technological bases development of application of bronze on bronze

The work shows that during centrifugal molding rotation critical velocity of a blank depends on filling and effective friction factors. It is installed that the powder layer on internal surface of a blank is moulded gradually in the molding velocity interval. It is experimentally determined that increasing characteristic of rotation velocity of a blank in the molding velocity interval influences greatly contour of the cover. The method of cold centrifugal molding in layers of powder materials is theoretically substantiated and calculated dependencies are obtained for definition of technological parameters of the process. There is experimental investigation of kinetics of cover molding of spherical bronze Cu90Snl() powder of dispersivity less than 63 micrometers and 315-400 micrometers, as well as of electrolytic copper powder less than 100 micrometers. For application process of coating of bronze Cu90Snl0 powder on external bronze Cu93.5Sn6.5 surface the experimental dependencies are found of cohesive force, porosity, micro-hardness of sintered covers. Temperature and timing range is built of formation of given cover structures. Schemes, tooling and technological recommendations are worked out on application of bronze powder coating on internal and external surfaces of bronze parts.

Induction sintering technology using centrifugal molding in layers has been worked out on the base of this work's results. Two industrial introductions has been accomplished.