автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Разработка технологии восстановления деталей машин плазменной наплавкой в продольном магнитном поле

На правах рукописи

РАФИКОВ Ильшат Анварович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 дек гт

Уфа 2013

005543327

Работа выполнена на кафедре «Технология металлов и ремонт машин» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Сайфуллин Ринат Назирович

Официальные оппоненты: Нафиков Марат Закиевич

доктор технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, заведующий кафедрой

Пустаханов Владимир Константинович кандидат технических наук, ООО НПП «Упрочняющие технологии», г. Челябинск, директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный

университет им. Н.П. Огарёва»

Защита состоится 17 декабря 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ.220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор —- Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Простой машин и механизмов на ремонте приводит к увеличению сроков выполнения работ, поэтому внедрение новых технологий восстановления и совершенствование уже разработанных является актуальной задачей. Восстановление деталей позволит решить вопрос дефицита запасных частей, снизить затраты на ремонт, а также сроки его выполнения.

Выбор плазменной наплавки как одного из дуговых способов восстановления основан на его универсальности и перспективности. Плазменная наплавка позволяет использовать в качестве присадочного материала наплавочные порошки, которые по отдельности и в различных сочетаниях позволяют придать восстанавливаемой поверхности необходимые физико-механические свойства при минимальном воздействии на работоспособность детали в целом. Дальнейшее совершенствование плазменной наплавки требует изучения современных внешних технологических воздействий, которые позволяют эффективнее управлять свойствами наплавленного металла

Степень разработанност н. Влияние внешнего магнитного поля на процесс кристаллизации расплавленного металла исследовано многими учёными. Однако процессы, происходящие при сварке и наплавке, вносят дополнительные условия качественного формирования наплавленного металла. Результаты исследований по влиянию магнитного поля на процесс сварки позволяют сделать вывод о его положительном влиянии. Процессы, происходящие в плазменной дуге и сварочной ванне при наплавке во внешнем магнитном поле, сложны и специфичны и отличают данный способ восстановления от других и требуют более углублённого и детального изучения.

Цель работы. Повышение эффективности технологии восстановления деталей плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

Объект исследования. Технология восстановления изношенных деталей плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

Предмет исследования. Закономерности формирования наплавляемого металлопокрытия, наносимого плазменной наплавкой порошковыми материалами при наложении на него продольного магнитного поля.

Научная новизна:

- теоретически обосновано влияние режимов наплавки и магнитной обработки на глубину проплавления основного металла при плазменной наплавке цилиндрических поверхностей;

- установлены пределы изменения режимов магнитной обработки при плазменной наплавке и выявлено их влияние на твердость, микротвёрдость, микроструктуру, геометрические размеры, выгорание легирующих элементов I

в наплавляемом металле.

Теоретическая и практическая значимость:

- разработано электромагнитное устройство, блок управления, обоснованы конструктивные параметры электромагнитного устройства, с целью создания продольного магнитного поля в плазменной дуге и сварочной ванне при наплавке цилиндрических поверхностей;

- получены оптимальные режимы магнитной обработки, позволяющие получить металлопокрытие с улучшенными свойствами;

- разработана технология восстановления цилиндрических поверхностей плазменной наплавкой в продольном магнитном поле для восстановления деталей машин на ремонтно-технических предприятиях АПК.

Методология и методы исследований. Поставленная цель достигается путём проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования наплавленного металла в продольном магнитном поле. В работе были использованы современные компьютерные программные продукты: Microsoft Word 2010, Microsoft Excel 2010, Компас 3D V13, MathCad 14, Statis-tica 6.1.

Вклад автора в проведённое исследование. Вклад соискателя состоит в участии на всех этапах процесса проведения теоретических и экспериментальных исследований, получении исходных данных и результатов научных экспериментов, апробации результатов исследования, разработке плана экспериментальных исследований, обработке и интерпретации экспериментальных данных, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реализация результатов работы. Разработанная технология восстановления плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле внедрена в ООО «Илишевский ремонтник», ГУСП МТС «Центральная» Чишминский филиал Кушнаренковское отделение, ООО НПП «Протон», на участке восстановления деталей кафедры технологии металлов и ремонта машин. Технология успешно применялась при восстановлении деталей на вышеперечисленных предприятиях, а также при восстановлении деталей для УПАТП-1 филиал ГУП «Башавтотранс», ЗАО «СПК» филиал в г. Уфа.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на Международных конференциях «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (г. Саратов, 2012 г.), «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, 2011 - 2012 г.г.), «Инновационному развитию агропромышленного комплекса - научное обеспечение» (г. Уфа, 2012 г.), «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития АПК» (г. Уфа, 2013 г.), «Ремонт. Восстановление. Реновация» (г. Уфа, 2010-2013 г.г.), «Молодёжная наука и АПК: проблемы и перспективы» (г. Уфа, 2011 г.), «Роль науки в инновационном развитии АПК» (г. Уфа, 2012 г.), «Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи, решения» (г. Орск, 2012-2013 г.г.), «Аграрная наука - инновационному развитию АПК в современных условиях» (г. Ижевск, 2013 г.)

Публикации. По результатам исследований диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 102 наименований и приложений. Работа изложена на 140 листах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков и приложений на 52 листах.

Положения, выносимые па защиту:

- результаты теоретических исследований по влиянию продольного магнитного поля на глубину проплавления восстанавливаемой детали;

- конструкция электромагнитного устройства, позволяющая получить продольное магнитное поле в плазменной дуге и сварочной ванне;

- результаты исследований по влиянию продольного магнитного поля на эффективность процесса формирования наплавляемого металла;

- технологический процесс восстановления изношенного коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, её научное и практическое значение; определены цель, объект и предмет исследования; результаты публикационной активности и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» обоснован выбор плазменной дуги как наиболее перспективного и универсального источника тепла. Проведён обзор разработанных способов восстановления изношенных деталей плазменными методами. Последующий выбор плазменной наплавки обоснован её преимуществами: адгезионная прочность наплавленного слоя намного выше, чем у слоя полученного напылением; плазменная наплавка не требует предварительной подготовки поверхности; потери присадочного материала при наплавке намного меньше чем при напылении. Для повышения эффективности технологии плазменной наплавки было предложено рассмотреть применимость внешних технологических воздействий, а именно внешнего магнитного поля.

На основе поставленной цели, объекта и предмета исследований были поставлены следующие задачи:

1. Теоретически исследовать влияние продольного магнитного поля на размеры и геометрию наплавляемого металла при восстановлении цилиндрических поверхностей.

2. Разработать электромагнитное устройство для плазмотрона с целью создания продольного магнитного поля в плазменной дуге и сварочной ванне.

3. Экспериментально исследовать влияние продольного магннтного поля на геометрические размеры наплавленного слоя, его пористость и микроструктуру.

4. Разработать технологический процесс восстановления плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле на примере конкретной детали и определить экономический эффект от модернизации технологии плазменной наплавки.

Во второй главе «Предпосылки к исследованию влияния продольного магнитного поля на дугу и сварочную ванну при плазменной наплавке» было установлено, что внешнее магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды и тела независимо от характера их движения. Тогда действие магнитного поля на заряженные частицы определяется силой Лоренца по формуле

F„ - q х v х В х sin ос, (1)

где q - заряд частицы, Кл; v ■ скорость частицы, м/с; В - индукция магннтного поля, Тл; « - угол между направлением скорости и индукцией, град.

В ходе анализа было установлено, что поперечное магнитное поле отклоняет дугу, по отношению к оси электрода, перпендикулярно линиям магнитного поля. Причём направление отклонения зависит от полярности. Продольное магнитное поле позволяет врашать ионы и электроны плазменной дуги по окружности и перемешивать расплав сварочной ванны.

Для получения более полной картины влияния продольного магннтного поля на дугу, согласно формуле (I). направление силовых линий должно проходить под определенным углом к направлению скорости движения. Рассмотрев распределение температур в как в обычной, так и в плазменной дугах, был сделан вывод, что их распределение неодинаково по сечению (рисунок 1).

Неравномерное распределение температур приводит к различной концентрации заряженных частиц, большая часть которых находится в центральной части столба дуги. Диффузия заряженных частиц из центральной части на периферию при наложении магнитного поля заставляет их вращаться по окружности с центром на оси электрода (рисунок 2).

Utmk

ими к

1 - обычная, 2 - тагиенная Рисунок I - Распределение температур при различных дугах

1 - вольфрамовый хюктрод; 2 - плазмотрон; 3 - направление линий магнитной

индукции; 4 - деталь; 5 - траектория движения заряженных частиц Рисунок 2 - Схема резу льтата действия магнитного по ля на п лазменную дугу Магнитное поле от внешнего источника будет действовать не только на плазменную дугу, но и на расплав сварочной ванны. Движение частиц по окружности 5 будет перемешивать расплав сварочной ванны, что должно способствовать равномерному растеканию расплава по поверхности детали, выделению газов и снижению градиента температур.

Исследования по влиянию внешнего продольною магнитного поля на дугу показали, что при сварке сталей, обладающих немагнитными свойствами, глубина проплавлення при наложении продольного магнитного поля увеличивается и при соответствующем значении индукции может увеличиться в полтора раза. При сварке сталей, обладающих магнитными свойствами, наблюдался обратный эффект. За счёт появления эффекта шунтирования силовых линий магнитного поля происходит их искривление, в результате чего появляется радиальная составляющая магнитного поля. Радиальная составляющая индуцирует вихревые токи, которые взаимодействуя с индуцирующим магнитным полем, создают в расплаве электромагнитные силы. На рисунке 3 показано графическое изображение направления линий магнитного поля при сварке магнитных и немагнитных сталей.

а) б)

/ - электромагнитное устройство; 2 - силовые линии магнитного по ля;

3 - сварочная ванна; 4 - свариваемый металл Рисунок 3 - Распределение силовых линий магнитного поля в сварочной ванне: а - сварка немагнитной стали; б - сварка магнитной стали В то же время продольное магнитное поле приводит к образованию пон-деромоторных сил, которые в свою очередь, взаимодействуя с силой, возникающей от действия на жидкий слон металла дуги и электродинамической силой, смещает вершину наплавляемого валика Направление смещения вершины так же связано с полярностью при сварке или наплавке. Исходя из выше-

сказанного можно сделать вывод, что для достижения правильной геометрической формы наплавленного металла необходимо нсполыовать продольное магнитное поле.

Для осуществления процесса плазменной наплавкн в продольном магнитном поле нами предложена следующая схема (рисунок 4).

/ - восстанавливае мая деталь; 2 - плазмотрон; 3 - продольное магнитное поле; 4 - пламенная дуга; 5 - сварочная ванна; 6 - направление наплавки;

7 - наплавляемый валик Рисунок 4 - Схема тахменной наплавки в продольном магнитно м поле

Для перемешивания расплава сварочной ванны, с помощью магнитного поля, необходимо разработать и сконструировать электромагнитное устройство В качестве материала сердечника был принят феррит. Для реверсирования направления тока обмотка должна быть бпфнлярнои (рисунок 5).

_

а) б)

электромагнитное устройство; I - натавляемая деталь; 2 - бифилярная

обмотка; 3 - изолятор; 4 -П - образный сердечник; 5 - тазмот/юн Рисунок 5 - Электромагнитное устройство для перемешивания расплава

сварочной ванны: а - схема электромагнитного устройства; б - сконструированное Для исследования взаимосвязи глубины проплавления восстанавливаемой детали и индукции магнитного поля была использована методика Померанцева А.С., которая устанавливает взаимосвязь между режимами сварки и параметрами сварного шва

ухАоО'кр хКс *2л) _ „ N _ РрхЛх в ^ ~ У™ } *„*«

йхехВрхУд в

где Y - удельный вес расплава, Н/м1; р0- коэффициент, корректирующий не равномерность распределения скорости по сечению сварочной ванны; Нкр глубина кратера, м; VCB - скорость сварки, м/с: g - ускорение скобочного пале ния; VA- скорость потоков расплава в точке А, м/с; Р0- давление дуги на её оси Па; Дат ■ смещение оси сварочной ванны относительно оси дуги, м; R0 - радиуч кривизны зеркала расплава, м; а - коэффициент сосредоточенности дуги, м'1 е - коэффициент внутреннего трения; S - толщина жидкой прослойки под дугой, м.

Па рисунке 6 представлена сварочная ванна с указанием сс геометрических размеров.

Рисунок 6 - Гео метрические размеры сварочной ванны

, ¿V

t нг

45 V" 1 ■ t А

По нашим предположениям наложение продольного магнитного поля должно уменьшить глубину проплавлення основного металла за счет изменения действия давлений на сварочную ванну. Данный эффект может позволить снизить тепловложенис в деталь тем самым уменьшить коробление наплавляемой детали, выгорание легирующих элементов, увеличить твёрдость наплавляемого металла.

На основе условия устойчивого квазистацнонарного состояния сварочной ванны сумма всех давлении должна быть равна нулю. Тогда выражая из формулы (2) динамический напор, вводя поправки, учитывающие гидростатическое даалснис, наплавку цилиндрической поверхности с наклоном плазмотрона, индукционное давление, давление плазменной дуги, коэффициента сосредоточенности была получена зависимость глубины проплавлення от режимов наплавки и магнитной обработки

^ + рхдх Нпр. х av х (1 + sinp) + =

_V_A_(2х»7xljxAx _ ьхгхУд \

2x/»o("i.p.x»VXI'c».+Za) \«x»fxP0xer HnpxkvxV„ )' ^

где p - плотность расплава, кг/м'; Нпр - глубина проплавлення основного металла, м; к„ - коэф<|)ицнент, учитывающий разность скоростей наплавки и расплава в сварочной ванне; /? - угол наклона оси электрода к горизонтальной плоскости, град.; В - индукция магнитного поля, Тл; с - коэффициент, учитывающий какую долю составляет радиальная составляющая индукции магнитного поля в продольной; ца - магнитная постоянная; цр- магнитная проницаемость расплава; ZA- расход металла в плоском сеченин, проходящем через точку А, м /с; к, - коэффициент силы давления дуги, Н/А\ /а - ток наплавки. A; rs -радиус силового пятна, м;

Литературный обзор показал, что определение расхода металла в плоском сечении и коэффициента сосредоточенности дуги возможно аналитически. Для решения уравнения (3) необходимо использовать параметры процесса плазменной наплавки для чего необходимы экспериментальные исследования.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследовании» дано описание модернизированной установки для плазменной наплавки на базе вращателя УД - 209. Для осуществления наплавки в продольном магнитном поле на плазмотрон было установлено электромагнитное устройство, управление которым осуществлялось от разработанного блока управления.

Выбор режимов наплавки осуществлялся на основе рекомендаций, приведенных в справочной литературе. Выбор наплавочного порошка, позволяющего получить наплавленный металл с высокой твёрдостью и износостойкостью, основан на рекомендациях завода производителя порошков.

Определение режимов магнитной обработки осуществлялось с помощью осциллографа С1-67 и измерителя магнитной индукции LU1-8, характер распределения силовых линий магнитного поля определялся с помощью ферри-тового порошка. Исследования ширины и высоты наплавленного валика осуществлялись путСм измерений с помощью измерительных инструментов. Глубина проплавлення основного металла определялась по фотографиям протравленных шлифов, подготовленных для микроструктурного анализа с помощью системы трёхмерного моделирования Компас 3D V13. Для определения мнк-ротвёрдости и зоны термического влияния были использованы микротвердомер ПМТ-3 и микроскоп Carl Zeiss. Пористость, величина зерна наплавленного металла определялись по методике определения глубины проплавлення с помощью системы трёхмерного моделирования Компас 3D V13. Размеры основания плазменной дуги определялись путём сё фотографирования с помощью фотоаппарата Olympus Е-420 через светофильтр. Определение коэффициента потерь осуществлялось путем взвешивания образцов до и после наплавки на весах AD-5. при известном расходе порошка. Исследование твердости по глубине проводилось на твердомере Роквслла ТК-2 на наплавленных образцах, шлифованных со смешением центра. Микроструктура исследовалась с помощью микроскопов Carl Zeiss и Vega. Распределение легирующих элементов определялось с помощью микроскопа Jcol-840, энергетические спектры и фотографии при химическом анализе получали и обрабатывали с помощью программного обеспечения INCA.

Эксплуатационные испытания проводились на коленчатых валах двигателя КамАЗ-740 (восстановленных по заказу ООО «Илишсвскнй ремонтник»), роликах машины для протяжки проволоки (восстановленных по заказу ЗАО «СПК» филиал в г. Уфа), осях выгрузного шнека комбайна ДОН - 1500Б (восстановленных по заказу ГУСП МТС «Центральная»), кривошипах пресса К2019 (восстановленных по заказу ООО НПП «Протон»).

Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований, построение графиков и диаграмм выполнялись на персональном компью-

тсрс с помощью прикладных программ Компас 3D VI3, Staiistica 6.1 и Excel 2010.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований н их анализ» приведены результаты исследований влияния магнитной обработки на геометрические размеры и микроструктуру наплавленного металла, распределение легирующих элементов п степень нх лнквакии, пористость, твёрдость и мнкротвердость. а также результаты эксплуатационных испытаний восстановленных деталей.

По результатам исследования геометрии наплавленного металла и коэффициента потерь был построен сводный график, представленный на рисунке 7.

Рисунок 7 - Сводный график зависимости геометрических размеров наплавляемого ва тка от индукции магнитного поля

Анализ зависимостей, представленных на рнсункс 7, показал, что изменение геометрических размеров наплавляемого валика происходит не по линейной зависимости.

По нашему мнению характер изменения геометрии наплавленного валика есть результат совместного действия продольного магнитного поля на плазменную дугу и сварочную ванну. На участке 0 ... 0,01 Тл не происходит значительных изменений в геометрии, однако дальнейшее увеличение индукции до 0,015 Тл ухудшают условия формирования наплавляемого валика (увеличение глубины проплавления. уменьшение ширины валика и его высоты). Данный участок характеризуется увеличением размеров плазменной дуги, приводящим к уменьшению плотности энергии в столбе и худшему проплав-ленню наплавочного порошка, следовательно, к увеличению коэффициента потерь. На участке 0,015 ... 0,016 Тл происходит наиболее эффективное изменение геометрических размеров и коэффициента потерь, связанное с появлением в расплаве сварочной ванны электромагнитных сил, перемешивающих расплав сварочной ванны. По нашему предположению одной из причин уменьшения коэффициента потерь является дополнительное удержание напла-

вочного порошка и расплава в сварочной ванне. Совместное изменение размеров плазменной дуги и появление электромагнитных сил увеличивают ширину валика при уменьшении глубины проплавлсиия и коэффициента потерь и незначительным увеличением высоты валика. Повышение индукции выше 0,016 Тл приводит к разбрызгиванию расплава сварочной ванны, о чем свидетельствует увеличение коэффициента потерь и глубины проплавлсиия Ширина валика при этом уменьшается. Частота реверсирование практически не влияет на изменение исследуемых показателей.

Увеличение ширины наплавляемого валика уменьшает припуск на механическую обработку (рисунок 8) после наплавки, а также может позволить увеличить шаг наплавки. Результаты исследований наплавки по винтовой линии показали, что припуск на механическую обработку уменьшается на 27 % при шаге наплавки 5 мм и на 48 % при шаге наплавки 7 мм.

а) б)

Рисунок 8 - Наплавленные образцы: а - без магнитного поля; б - при индукции 16 мТл и частоте реверсирования 15 Гц:

Однако исследование пористости наплавленного металла показало максимальное увеличение пористости при индукции 16±0,32 мТл. Так как при данном значении происходит интенсивное перемешивание расплава сварочной ванны, то появление электромагнитных сил не должно влиять на увеличение пористости. Причиной увеличений пористости может быль уменьшение коэффициента потерь и, следовательно, увеличение количества наплавочного порошка, попадающего в сварочную ванну за счёт действия магнитного поля. Для исследования влияния расхода порошка на пористость были проведены дополнительные эксперименты показавшие, что при уменьшении расхода подаваемого порошка при наплавке с индукцией магнитного поля 16+0,32 мТл пористость уменьшается. Результаты представлены на рисунке 9. Так как при значении индукции магнитного поля 16,1±0,32 Тл происходит наиболее эффективное изменение геометрии наплавляемого металла и уменьшение коэффициента потерь, то дальнейшие исследования были проведены путём сравнения классического способа наплавки и наплавки с индукцией магнитного поля 16,1 ±0,32 мТл при частоте реверсирования 15 Гц.

Рисунок 9 - ¡ 'рафик зависимости пористости металлопокрытия в зависимости от расхода порошка при индукции 0,016 Т.л

Мнкроструктурный анализ показал, что наплавленный металл имеет мартснситную фазу с фсррнтнои сеткой (рисунок 10).

Рисунок 10 - Микроструктура металла, наплавленного с наложением магнитного поля

Исследование микроструктуры металла наплавленного классическим способом, показало, что ее строение носит дендритный характер, свойственный литой структуре металла (рнсунок 11. а)._______

а) б)

Рисунок / /- Микроструктуры наплавленного металла а - без магнитного поля; б - с индукцией 16мТл и частотой реверсирования ¡5 Гц

Электромагнитное перемешивание расплава сварочной ванны приводит к дроблению дендритной структуры (рисунок II, б), снижению граднента тем-

псратур по сеченню наплавленного металла, размер зёрен становится более равноосным, при этом средняя величина зерна уменьшается в 2,8 раза.

Уменьшение величины зерна способствует увеличению твердости и микротвёрдости наплавленного металла в среднем на 10... 12 % (рисунок 12). н„мп» ■

>700 5500 3300 5100 <9 СО 4700 4500

• +

♦ *- — -

0,0 0,5 1.0 1.5 2,0 V 3,0 а ми

Рисунок 12 - Зависимости микротвердости наплавленного метагю по толщине от вида наплавки

Результаты исследования микротвсрдостн основного металла показали, что наибольшая зона термического влияния наблюдается при наплавке без магнитного поля (рисунок 13). При наложении продольного магнитного поля зона термического влияния уменьшается на 45 %. В то же время при классическом способе наплавки мнкротвёрдость на поверхности сплавления выше, чем при втором способе наплавки. Основной причиной высокой микротвсрдостн и более глубокой зоны термического влияния является высокая температура плазменной струи, продольное магнитное поле изменяет форму дуги, увеличивая сё основание. Большая площадь плазменной дуги и электромагнитное перемешивание уменьшают тепловложенне в основной металл Эти факторы создают благоприятные условия для меньшего перегрева и быстрой кристаллизации металла.

Н„. МП» 1550 1450 1350 1250

>

• ♦

■ ♦.-Л-

■ ■

0.0 0.5

1.0 М 2.0 2,5 3,0 Я ым Рисунок 13 - Зависимости микротвёрдости основного металла по толщине

от вида наплавки

а)

При исследовании ликвации легирующих элементов получены результаты, представленные на рисунке 13. Па рисунке представлены зависимости распределения легирующих элементов в наплавленном металле при различных видах наплавки. Равномерное распределение легирующих элементов позволяет получить покрытия со свойствами, однородным!! по всей толщине, что будет благоприятно влиять на эксплуатационные свойства детали. Более высокая концентрация легирующих элементов в середине наплавленного металла(рисунок 14. а) связана с неравномерной кристаллизацией расплава. Кристаллизация наплавляемого металла начинается на его поверхности и на границе сплавления с основным металлом, далее распространяясь в середину. Неравномерная кристаллизация приводит к ликвации легирующих

1 ■ - • *« 4 4

4" *4* 4 ' 1. > . 4 Ж * 4 4* 4» 4

»4 »

4 " 4 *»* ' " »4 \ \ • ■

' 44 » 4 4 « 4 , .». ^.4 4 * ■ (4 4 О

V* 4 * • „ • 4,41*1 ' " « 4 < • ~ * М4 * м

• ш

* Л 1 Ч » 1 '! . 4 МО

>{ * "и

v

б)

Рисунок 14 - Распределение легирующих элементов в

наплавленном мета не: а - без магнитного поля, б - при индукции 1 б, 1 ±0,32 мТл и частоте реверсирования 15 Гц

элементов в середину наплавленного металла.

Количественный состав легирующих элементов в металле, наплавленном с наложением магнитного поля (рисунок 14, б) практически неизменен по всей толщине. Такой характер распределения говорит о благоприятном влиянии магнитного поля на процесс наплавки.

Распределение легирующих элементов при сварке и наплавке в значительной степени определяет дальнейшие эксплуатационные свойства детали. Неравномерное распределение легирующих элементов часто становится при-

чиной брака и приводит к неоднородности свойств детали. Сравнение результатов наплавки с магнитным полем и без него позволяет сказать, что при наложении магнитного поля выгорание легирующих элементов уменьшается на 3...12% в зависимости от вида элемента (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты расчёта выгорания легирующих элементов в наплавленном металле_____________

Вид наплавки Выгорание легирующего элемента. %

В Сг Мп N4 Си Мо

Без магнитного поля 0,79 0,37 0,64 0,57 0,68 0,81 0,77

С магнитным полем 0,74 0,34 0,57 0,53 0,56 0,74 0,72

В таблице 2 представлены результаты расчёта теоретической глубины проплавлення по формуле (3) при индукции 16.1+0.32 Тл и частоте реверсирования 15 Гц.

Таблица 2 - Роультаты расчёта теоретической глубнны проплавлення

В, Тл с. м К0. м Ах, м Н..р ,. м

0 25.3 0.01052 0.00896 0,00450 0.00215

0,0101 22,6 0.01072 0.00790 0.00347 0,00167

0.0151 26.3 0.01148 0.00902 0.00543 0.00208

0,0161 21.0 0.01251 0,01006 0.00703 0.00139

0.0171 31.3 0,01310 0.00604 0.00513 0.(4)256

На рисунке 15 представлены графики сравнения экспериментальной и теоретической глубин проплавлення в зависимости от индукции магнитного поля.

Рисунок 15 - Зависимости теоретической и жсперимештиьнои глубин проплавлення основного металла

Анализ теоретических расчётов и экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что увеличение индукции магнитного поля целесообразно до определённого значения, которое составляет 16,1+0,32 мТл. Меньшее значение несущественно влияет на глубину проплавления, дальнейшее увеличение индукции приводит к разбрызгиванию расплава сварочной ванны.

Результаты эксплуатационных испытаний восстановленных деталей показали, что износ восстановленных поверхностей не превышал допускаемые значения. Выкрашивание и отслоение наплавленного металла не наблюдались. Выхода из строя узлов по причине поломки восстановленных деталей не происходило.

В пятой главе разработана технология восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 плазменной наплавкой в продольном магнитном поле. Проведена оценка экономической эффективности путём сравнения классической технологии плазменной наплавки и модернизированной.

Годовой экономический эффект по сравнению с существующей технологией на программу 380 деталей составит 348315 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе эффекта шунтирования силовых линий магнитного поля была выведена аналитическая зависимость влияния продольного магнитного поля на глубину проплавления восстанавливаемой детали при плазменной наплавке цилиндрических поверхностей от режимов наплавки, магнитной обработки и свойств расплава сварочной ванны. Решение аналитической зависимости позволило определить оптимальную величину индукции магнитного поля 16,1±0,32 мТл, дальнейшее увеличение которой приводит к разбрызгиванию расплава сварочной ванны, уменьшение несущественно влияет на глубину проплавления.

2. Разработано электромагнитное устройство для плазмотрона, позволяющее создавать продольное магнитное поле индукцией магнитного поля от 0 до 17,1 мТл с частотой реверсирования от 0 до 30 Гц в дуге и расплаве сварочной ванны с целью влияния на процесс формирования наплавляемого металлопокрытия, а также воздействовать на его структуру и свойства.

3. Плазменная наплавка в продольном магнитном поле по сравнению с классическим способом восстановления позволяет: увеличить ширину наплавляемого валика в среднем на 25%, уменьшить глубину проплавления в среднем на 30%, уменьшить припуск на механическую обработку, выполнять наплавку с увеличенным шагом, уменьшить коэффициент потерь в среднем на 5%. Также происходит уменьшение величины зерна в 2,8 раза и зоны термического влияния на 45%, дробление дендритной структуры, уменьшение количества пор на границе сплавления и выравнивание её профиля. Твёрдость и микротвёрдость увеличиваются на 500 МПа, происходит уменьшение влияния ликвации на распределение легирующих элементов, выгорание легирующих

элементов уменьшается на 3 ... 12% в зависимости от его вида. Оптимальной величиной индукции магнитного поля является 16,1±0,32 мТл. Дальнейшее увеличение величины магнитной индукции приводит к нарушению условий формирования наплавляемого металлопокрытия и разбрызгиванию. Частота реверсирования практически не влияет на условия формирования наплавляемого металлопокрытия.

4. Разработана технология восстановления коленчатого вала двигателя КамАЗ 740 на базе участка восстановления деталей кафедры технологии металлов и ремонта машин. Аналогичные технологии были разработаны и внедрены в ООО «Илишевский ремонтник», ГУСП МТС «Центральная» Чиш-минский филиал Кушнаренковское отделение, ООО НПП «Протон». Годовой экономический эффект от модернизации технологии составил 348315,6 руб. при программе 380 коленчатых валов двигателя КамАЗ-740.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в работах:

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК:

1. Рафиков И.А. Исследование различных составов порошковых композиций для плазменной наплавки [Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллин // Труды ГОСНИТИ. - 2011. - Т. 107, 4.2. - С. 156 - 158.

2. Рафиков И.А. Особенности плазменной наплавки в управляемом переменном магнитном поле [Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллин // Вестник Башкирского государственного аграрного университета - 2012. - №4. -С.68 - 70.

3. Рафиков И.А. Опыт восстановления деталей плазменной наплавкой в переменном магнитном поле [Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллин // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т.111. 4.2. - С.202 - 205.

Патенты:

4. Патент №65337 РФ, МПК Н05Н 1/32, Н05Н 1/42 Устройство автоматического регулирования длины дуги плазмотрона. / Рафиков И.А., Сайфуллин Р.Н. Опубл. 27.07.2007.

5. Патент 129861 РФ, МПК В23К 9/04 Электромагнитное устройство для перемешивания расплава сварочной ванны при плазменной наплавке / И.А. Рафиков. Опубл. 10.07.2013.

6. Патент 128884 РФ, МПК С23С 24/04, В05В 7/14, В23В 9/04 Порошковый питатель с двухбункерной системой подачи порошка для установки плазменной наплавки / И.А. Рафиков. Опубл. 10.06.2013.

Статьи в материалах конференций и других изданиях:

7. Рафиков И.А. Перспективы применения плазменной наплавки порошковых материалов при восстановлении и упрочнении деталей машин

[Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллии // Ремонт. Восстановление. Реновация. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, - 2010. - С. 55 - 56.

8. Рафиков И.А. Автоматизация контроля длины дуги при плазменной наплавке [Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции в рамках 20 Юбилейной специализированной выставки «АгроКомплекс-2010». Ч. 3. - Уфа: Башкирский ГАУ, -2010. - С. 109-111.

9. Рафиков И.А. Перспективы применения плазменной наплавки с наложением магнитного поля [Текст] // Ремонт. Восстановление. Реновация. Материалы всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ,-2011. - С. 50-52.

10. Рафиков И.А. Электромагнитное поле как способ управления процессом при плазменной наплавке [Текст] // Материалы всероссийской научно-практической конференции в рамках 21 Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2011», Ч. 2. - Уфа: Башкирский ГАУ, - 2011. - С. 81 -83.

11. Рафиков И.А. Разработка конструкции порошкового питателя с двух-бункерной системой подачи порошка для установки плазменной наплавки [Текст] / И.А. Рафиков, М.З. Сатдаров // Материалы 4 Всероссийской студенческой научной конференции - Уфа: Башкирский ГАУ, - 2010. - С. 120 - 121.

12. Рафиков И.А. Применение плазменной наплавки при восстановлении пальца стрелы экскаватора Hitachi ZX210 [Текст] // Материалы 4 Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных. - Уфа: ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, 2011. -С. 137 - 138.

13. Рафиков И.А. Выбор типа электромагнитного устройства для перемешивания расплава сварочной ванны при восстановлении деталей плазменной наплавкой [Текст] / И.А. Рафиков, Р.Н. Сайфуллин // Материалы международной научно-практической конференции в рамках 22 Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2012», Ч. 1. - Уфа: ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, - 2012. - С. 381 - 384.

14. Рафиков И.А. Опыт применения плазменной наплавки при восстановлении вала кулачкового топливного насоса высокого давления BOSCH [Текст] // Сборник научных трудов. - Орск: Издательство Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ, - 2012. - С. 46 - 48.

15. Рафиков И.А. Наплавка прямой дугой в управляемом переменном магнитном поле [Текст] // Материалы всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ, -2012. - С. 90 - 92.

16. Рафиков И.А. Способ плазменной наплавки в управляемом переменном магнитном поле [Текст] // Материалы Международного научно-технического семинара имени В.В. Михайлова. Вып. 25. - Саратов: Издательство «КУБиК», - 2012. - С.229-231.

17. Рафиков И.А. Магнитное поле как способ технологического воздействия при плазменной наплавке [Текст] // Материалы 2 Международной заочной конференции. - Орск: Издательство Орского гуманитарно-технологического института ОГУ. - 2013. С. 166-168.

18. Рафиков И.А. Исследование геометрии наплавленного слоя при плазменной наплавке в переменном магнитном поле [Текст] / И.А. Рафиков, Р.К. Ямалетдинов // Ремонт. Восстановление. Реновация. Материалы 4 Международной научно-практической конференции. - Уфа: Башкирский ГАУ. -2013.-С.144-147.

19. Рафиков И.А. Исследование влияния переменного магнитного поля на пористость металлопокрытия, нанесённого плазменной наплавкой [Текст] // Материалы международной научно-практической конференции в рамках 23 Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2013». 4.1. -Уфа: Башкирский ГАУ, - 2013. - С. 373-376.

20. Рафиков И.А. Исследование влияния переменного магнитного поля на размеры плазменной дуги при наплавке [Текст] // Материалы Всероссийской научно - практической конференции. 4.1. - Уфа: Башкирский ГАУ, -2013. С. 270 -273.

21. Рафиков И.А. Влияние продольного переменного магнитного поля на формирование металлопокрытия при плазменной наплавке [Текст] // Материалы Всероссийской научно - практической конференции. Т.2. - Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, - 2013. С. 66 - 70.

Подписано в печать is.ii.газ- Формат бумаги 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,16 Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура «Тайме». Заказ 570. Тираж юо аНг.

РИО ФГБОУ ВПО БГАУ, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34

ФГБОУ ВПО БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

0^201452602 //

//

РАФИКОВ Ильшат Анварович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ В ПРОДОЛЬНОМ

МАГНИТНОМ ПОЛЕ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Сайфуллин Р.Н.

Уфа-2013

Оглавление

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................10

1.1 Обзор способов восстановления и упрочнения деталей плазменными методами..............................................................................................................10

1.2 Пути повышения качества металлопокрытия, наносимого плазменной наплавкой.......................................................................................16

1.2.1 Наложение ультразвуковых колебаний...............................................17

1.2.2 Наложение внешнего магнитного поля...............................................17

1.2.3 Влияние предварительного подогрева на свойства восстанавливаемых деталей...........................................................................19

1.2.4 Автоматический контроль длины дуги................................................19

1.3 Выводы и задачи исследования..................................................................21

2 ПРЕДПОСЫЛКИ К ИССЛЕДОВАНИЮ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДУГУ И СВАРОЧНУЮ ВАННУ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКЕ..............................................................................24

2.1 Влияние магнитного поля на сварочную дугу и обоснование необходимости наложения продольного магнитного поля...........................24

2.2 Создание условий для осуществления плазменной наплавки в продольном знакопеременном магнитном поле.............................................28

2.3 Расчёт электромагнитного устройства для создания продольного магнитного поля в сварочной ванне.................................................................29

2.4 Влияние индукции магнитного поля на геометрические размеры наплавляемого валика........................................................................................34

2.5 Выводы по теоретическим исследованиям................................................41

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................42

3.1 Разработка экспериментальной установки, подбор приборов и материалов...........................................................................................................42

3.2 Методика измерения режимов магнитной обработки..............................51

3.3 Методика определения геометрических размеров наплавленного металла и глубины проплавления основного металла...................................57

3.4 Методика определения пористости наплавленного металла...................60

3.5 Методика определения влияния частоты реверсирования и индукции магнитного поля на размеры плазменной дуги...............................................62

3.6 Методика определения коэффициента потерь присадочного материала.............................................................................................................63

3.7 Методика исследования твёрдости, микротвёрдости, микроструктуры и распределения легирующих элементов...........................65

3.8 Методика проведения эксплуатационных испытаний.............................70

3.9 Статистический анализ результатов исследований..................................72

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.................................................................................................................75

4.1 Влияние режимов магнитной обработки на формирование наплавляемого металла......................................................................................75

4.2 Влияние режимов магнитной обработки на пористость наплавленного металла......................................................................................82

4.3 Влияние режимов магнитной обработки на размеры плазменной дуги.................................................................................................87

4.4 Влияние режимов магнитной обработки на коэффициент потерь..........89

4.5 Влияние режимов магнитной обработки на твёрдость и микротвёрдость...................................................................................................92

4.6 Влияние режимов магнитной обработки на микроструктуру.................97

4.7 Влияние режимов магнитной обработки на распределение легирующих элементов....................................................................................102

4.8 Результаты эксплуатационных испытаний..............................................106

4.9 Выводы по экспериментальным исследованиям....................................107

5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ............................................................109

5.1 Технология восстановления деталей плазменной наплавкой в продольном магнитном поле...........................................................................109

5.2 Расчёт экономической эффективности от модернизации технологии плазменной наплавки.......................................................................................116

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Современные интенсивные темпы развития различных отраслей народного хозяйства требуют применения различных машин и механизмов, используемых в процессе производства и обладающих высокой производительностью. Простой машин и механизмов на ремонте приводит к увеличению сроков выполнения работ. Сроки ремонта и его стоимость, как правило, связаны с наличием и стоимостью запасных частей. Отсутствие запасных частей затягивает сроки ремонта и увеличивает стоимость выполнения работ. Одним из путей решения задачи дефицита запасных частей является восстановление изношенных деталей. Использование восстановленных деталей должно значительно снизить затраты на ремонт, а также сроки его выполнения.

Выбор оптимального и универсального способа восстановления позволит применить технологию на его основе для большей номенклатуры изношенных деталей. Наибольшую долю при распределении работ по методам восстановления составляют дуговые способы [44]. Выбор дугового способа восстановления необходимо произвести относительно универсальности его источника тепла. В качестве универсального источника дугового нагрева можно использовать плазменную дугу. Плазменная наплавка, наряду с традиционными способами наплавки, выделяется как перспективная. Она позволяет использовать в качестве присадочного материала наплавочные порошки, которые по отдельности, а также и в различных сочетаниях позволяют придать восстанавливаемой поверхности необходимые физико-механические свойства при минимальном воздействии на работоспособность детали в целом.

Плазменная наплавка, как способ восстановления, имеет далеко идущую перспективу, которая позволит управлять свойствами восстановленной поверхности за счёт технологических воздействий. Они позволяют воздействовать на микроструктуру, твёрдость, износостойкость и другие свойства.

Разработка технологии восстановления на основе плазменной наплавки с дополнительным внешним технологическим воздействием позволит не

только снизить затраты на запасные части, но и управлять свойствами восстановленной детали.

Актуальность темы исследования. Простой машин и механизмов на ремонте приводит к увеличению сроков выполнения работ, поэтому внедрение новых технологий восстановления и совершенствование уже разработанных является актуальной задачей. Восстановление деталей позволит решить вопрос дефицита запасных частей, снизить затраты на ремонт, а также сроки его выполнения.

Выбор плазменной наплавки как одного из дуговых способов восстановления основан на его универсальности и перспективности. Плазменная наплавка позволяет использовать в качестве присадочного материала наплавочные порошки, которые по отдельности и в различных сочетаниях позволяют придать восстанавливаемой поверхности необходимые физико-механические свойства при минимальном воздействии на работоспособность детали в целом. Дальнейшее совершенствование плазменной наплавки требует изучения современных внешних технологических воздействий, которые позволяют эффективнее управлять свойствами наплавленного металла.

Степень разработанности. Влияние внешнего магнитного поля на процесс кристаллизации расплавленного металла исследовано многими учёными. Однако процессы, происходящие при сварке и наплавке, вносят дополнительные условия качественного формирования наплавленного металла. Результаты исследований по влиянию магнитного поля на процесс сварки позволяют сделать вывод о его положительном влиянии. Процессы, происходящие в плазменной дуге и сварочной ванне при наплавке во внешнем магнитном поле, сложны и специфичны и отличают данный способ восстановления от других и требуют более углублённого и детального изучения.

Цель работы. Повышение эффективности технологии восстановления деталей плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

Объект исследования. Технология восстановления изношенных деталей плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

Предмет исследования. Закономерности формирования наплавляемого металлопокрытия, наносимого плазменной наплавкой порошковыми материалами при наложении на него продольного магнитного поля.

Научная новизна:

- теоретически обосновано влияние режимов наплавки и магнитной обработки на глубину проплавления основного металла при плазменной наплавке цилиндрических поверхностей;

- установлены пределы изменения режимов магнитной обработки при плазменной наплавке и выявлено их влияние на твердость, микротвёрдость, микроструктуру, геометрические размеры, выгорание легирующих элементов в наплавляемом металле.

Теоретическая и практическая значимость:

- разработано электромагнитное устройство, блок управления, обоснованы конструктивные параметры электромагнитного устройства, с целью создания продольного магнитного поля в плазменной дуге и сварочной ванне при наплавке цилиндрических поверхностей;

- получены оптимальные режимы магнитной обработки, позволяющие получить металлопокрытие с улучшенными свойствами;

- разработана технология восстановления цилиндрических поверхностей плазменной наплавкой в продольном магнитном поле для восстановления деталей машин на ремонтно-технических предприятиях АПК.

Методология и методы исследований. Поставленная цель достигается путём проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования наплавленного металла в продольном магнитном поле. В работе были использованы современные компьютерные программные продукты: Microsoft Word 2010, Microsoft Excel 2010, Компас 3D V13, MathCad 14, Statistica 6.1.

Вклад автора в проведённое исследование. Вклад соискателя состоит в участии на всех этапах процесса проведения теоретических и экспериментальных исследований, получении исходных данных и результатов научных экспериментов, апробации результатов исследования, разработке плана экспериментальных исследований, обработке и интерпретации экспериментальных данных, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реализация результатов работы. Разработанная технология восстановления плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле внедрена в ООО «Илишевский ремонтник», ГУСП МТС «Центральная» Чишминский филиал Кушнаренковское отделение, ООО НПП «Протон», на участке восстановления деталей кафедры технологии металлов и ремонта машин. Технология успешно применялась при восстановлении деталей на вышеперечисленных предприятиях, а также при восстановлении деталей для УПАТП-1 филиал ГУЛ «Башавтотранс», ЗАО «СПК» филиал в г. Уфа.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на Международных конференциях «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники» (г. Саратов, 2012 г.), «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, 2011 - 2012 г.г.), «Инновационному развитию агропромышленного комплекса - научное обеспечение» (г. Уфа, 2012 г.), «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития АПК» (г. Уфа, 2013 г.), «Ремонт. Восстановление. Реновация» (г. Уфа, 2010-2013 г.г.), «Молодёжная наука и АПК: проблемы и перспективы» (г. Уфа, 2011 г.), «Роль науки в инновационном развитии АПК» (г. Уфа, 2012 г.), «Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи, решения» (г. Орск, 2012-2013 г.г.), «Аграрная наука - инновационному развитшо АПК в современных условиях» (г. Ижевск, 2013 г.)

Публикации. По результатам исследований диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 102 наименований и приложений. Работа изложена на 140 листах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 59 рисунков и приложений на 52 листах.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических исследований по влиянию продольного магнитного поля на глубину проплавления восстанавливаемой детали;

- конструкция электромагнитного устройства, позволяющая получить продольное магнитное поле в плазменной дуге и сварочной ванне;

- результаты исследований по влиянию продольного магнитного поля на эффективность процесса формирования наплавляемого металла;

- технологический процесс восстановления изношенного коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 плазменной наплавкой порошковыми материалами в продольном магнитном поле.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор способов восстановления и упрочнения деталей плазменными

методами

При восстановлении изношенных деталей методами наплавки и напыления всё большие требования предъявляются к качеству восстановленного покрытия. Как правило восстановленная поверхность должна обладать комплексом свойств, которые обеспечат наибольший ресурс восстановленной детали. Среди различных способов восстановления, которые обеспечили бы комплекс таких свойств, выделяются плазменные методы.

Плазмой называют высокотемпературный сильно ионизированный газ, содержащий большое количество заряженных частиц. Плазма создаётся пропусканием газа через дуговой разряд в узком канале, диаметр которого равен примерно диаметру столба дуги. Проходя через дуговой разряд, происходит ионизация газа и образование плазменной струи с высокой концентрацией энергии. Плазменную струю получают в устройстве, которое называют плазмотроном (плазменной горелкой) [44].

Выделение плазменных методов восстановления изношенных деталей связанно с их преимуществами. Одним из главных преимуществ плазменных методов является высокая температура плазменной дуги, которая позволяет расплавлять и наносить практически все присадочные материалы (порошок, проволока, прутки). Благодаря высокой температуре плазменной дуги возможно нанесение покрытий из тугоплавких материалов. При введении в зону горения дуги присадочных материалов различных композиций возможно получение восстановленных поверхностей с заданными физико - механическими свойствами. Среди плазменных методов наиболее широко распространены плазменная наплавка, плазменное напыление и плазменная закалка.

Плазменная наплавка. Плазменная наплавка нашла широкое применение в народном хозяйстве. С помощью такой наплавки можно получать наплавленные слои толщиной до 5,0 мм с припуском на последующую механическую обработку 0,4 ... 0,9 мм и производительностью процесса до 12,0

кг/ч. При малой глубине проплавления (0,3 ... 3,5 мм) обеспечивается доля основного металла в наплавленном до 30,0 % при зоне термического влияния 3,0 ... 6,0 мм. Наплавляют детали диаметром от 15,0 мм [57, 102].

Рассмотрим схему плазменной наплавки на цилиндрическую поверхность плазмотроном комбинированного действия, которая представлена на рисунке 1.1 [44,91,92].

мообразующий газ; 6 -внутренне сопло - анод; 7 - питатель; 8 - транспортирующий газ; 9 - защитный газ; в - сварочный преобразователь; Ш и 112 - реостаты; IX - дроссель Рисунок 1.1- Схема плазменной наплавки плазмотроном комбинированного

действия

Между центральным вольфрамовым катодом 4 и внутренним соплом 6 с помощью дросселя IX возбуждается электрическая дуга. Продуваемый между ними плазмообразующий газ 5 сжимает дугу, повышая её температуру. В результате происходит термическая диссоциация газа и образование высоко - ионизированного потока частиц - плазмы, которая служит высококонцентрированным источником тепловой энергии мощностью 500 кВт/см2 и более с температурой 10 000 ... 30 000°С. Дугой прямого действия регулируют степень проплавления основного металла. Между наружным 3 и внут-

ренним 6 соплами подаётся транспортирующий газ, который дополнительно обжимает плазменную струю и, кроме того, может доставлять частицы наплавляемого порошка из питателя 7 к поверхности детали 2. Для защиты наплавленного металла от окисления используют защитный газ 9. С помощью реостатов Я] и 1^2 регулируется сила тока применяемых дуг.

В качестве плаз�