автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Разработка технологии восстановления деталей перерабатывающей промышленности микродуговым оксидированием

На правах рукописи

Ферябков Александр Витальевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МИКРОДУГОВЫМ ОКСИДИРОВАНИЕМ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

/

Работа выполнена на кафедре надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского государственного аграрного заочного университета (ФГОУ ВПО РГАЗУ)

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Батищев А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мороз В.П.,

кандидат технических наук, доцент Мазаев Ю.В.

Ведущая организация - Федеральное государственное научное учреждение «Росинформагротех»

Защита состоится «15» июня 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.03 при ФГОУ ВПО Российском государственном аграрном заочном университете по адресу: 143900, Балашиха 8 Московской области, ул. Ю. Фучика, д.1, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО РГАЗУ

Автореферат разослан «S<¿» 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, /

профессор Шавров А.В.

\

\

2006-4 _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При восстановлении и упрочнении изношенных деталей перерабатывающих отраслей АПК должно обеспечиваться не только их технологическое качество при сравнительно низкой себестоимости восстановления, но и строго соблюдаться санитарно-гигиенические требования, исключающие загрязнение пищевых продуктов.

Большинство из существующих способов восстановления и упрочнения не пригодны для восстановления изношенных деталей перерабатывающих производств АПК из алюминиевых сплавов, имеющих большие износы. Многие из них не позволяют упрочнять рабочие поверхности, что отрицательно сказывается на ресурсе деталей. Рациональным способом восстановления данных деталей является наплавка. Перспективным способом восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов, имеющих небольшие износы (или упрочнения после наплавки деталей с большими износами), является микродуговое оксидирование (МДО). МДО-покрытия характеризуются высокой твердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и отвечают санитарно-гигиеническим и экологическим требованиям, что позволяет применять их для перерабатывающих производств АПК. Однако МДО -сравнительно новый способ, многие аспекты которого плохо изучены.

Цель работы. Разработать технологию восстановления деталей перерабатывающего оборудования из алюминиевых сплавов наплавкой с последующим упрочнением микродуговым оксидированием (на примере корпусных деталей насоса СВН-80).

Научная новизна. Предложен состав электролита, позволяющий получать композиционные МДО-покрытия с требуемыми свойствами. При этом в 1,5 раза сокращается продолжительность процесса и, следовательно, расход энергии. Экспериментально обоснована марка ма!ериала для наплавки детали перед МДО-упрочнением. Получены зависимости толщины, микротвердости, пористости, износостойкости покрытий от режимов МДО. Предложена модель гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий применительно к условиям работы деталей перерабатывающего оборудования (на примере насоса СВН-

Практнческую ценность работы представляет разработанный технологический процесс восстановления деталей из алюминиевых сплавов наплавкой с упрочнением МДО на примере корпусных деталей насоса СВН-80, а так же предложенный состав электролита для МДО.

Реализация результатов исследований. Разработанная технология восстановления и упрочнения корпусных деталей насосов СВН-80 принята к внедрению на Кромском маслодельном заводе Орловской области, а также внедрена в учебный процесс ФГОУ ВПО РГАЗУ.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждаются использованием стандартных и общепринятых методов исследований, современных поверенных кон приборов

80).

и оборудования, применением математических методов их обработки с использованием ПЭВМ, достаточной повторностью и хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, эксплуатационными испытаниями.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных статьях и 1 патенте РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 29 рисунков, список используемой литературы из 162 наименований и б приложений.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Теоретическое обоснование эмпирической модели гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий.

2. Результаты экспериментальных исследований влияния вводимых в электролит добавок на толщину, микротвердость и структуру покрытий. Разработанный состав электролита для получения композиционных МДО-покрытий.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния марки наплавляемого материала и режимов МДО на толщину, скорость формирования, микротвердость, пористость и износостойкость покрытий.

4. Результаты оптимизации параметров технологического процесса упрочнения МДО (плотности тока и концентрации компонентов электролита).

5. Технология восстановления деталей из алюминиевых сплавов наплавкой с упрочнением МДО (на примере корпусных деталей насоса СВН-80). Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и

обсуждались на межвузовских научно-практических конференциях «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» (Брянск, 2002-2003); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в АПК» (Москва, 2002); на научных конференциях РГАЗУ (Балашиха, 2001-2004); на заседаниях кафедры надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского РГАЗУ в 2001-2004 гг.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основании проведенного анализа технологических процессов восстановления и упрочнения деталей перерабатывающих отраслей АПК из алюминиевых сплавов показана актуальность разработки и широкого применения новых технологий, позволяющих получить покрытия, имеющие высокие физико-механические свойства и отвечающие санитарно-

гигиениЧёЬй^м т^^овщрям.

•*» «* ' \

Таким современным способом восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов является микродуговое оксидирование. В исследованиях Маркова Г.А., Гордиенко П.С., Гнеденкова C.B., Малышева В.Н., Снежко JI.A., Черненко В.И., Терций О.Ю., Атрощенко Э.С., Чуфистова О.В., Барыкина Н.В., Кузнецова Ю.А., Коломейченко A.B., Денисьева С.А., Коровина А .Я., Севостьянова A.JI. и многих других, показана перспективность этого способа. Исходя из анализа работ в данной области, можно сделать вывод, что совершенствование технологии МДО, заключающееся в более широком учете всех параметров процесса и снижении его энергоемкости, является актуальной задачей.

Поэтому цель настоящей работы - разработка технологии восстановления деталей перерабатывающего оборудования наплавкой с последующим упрочнением микродуговым оксидированием. В качестве объекта для производственной проверки предложенной технологии выбраны корпусные детали насоса СВН-80.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследований:

1. Выбрать электролит МДО. Исследовать влияние состава электролита МДО на толщину, микротвёрдость и структуру покрытий.

2. Выбрать наплавляемый материал для восстановления размеров изношенных деталей перед МДО-упрочнением. Исследовать влияние легирующих элементов, содержащихся в наплавленном металле, на толщину, скорость формирования, пористость, микротвёрдосхь, износостойкость, сцепляемость МДО покрытия.

3. Исследовать абразивную износостойкость МДО-покрытий и разработать модель их изнашивания.

4. Произвести оптимизацию параметров технологического процесса упрочнения деталей МДО. Разработать технологический процесс восстановления и упрочнения деталей наплавкой с упрочнением МДО на примере корпусных деталей насоса СВН-80.

5. Определить экономическую эффективность технологии.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ

Для теоретического обоснования гидроабразивного изнашивания необходимо всестороннее изучение большого числа факторов, определяющих интенсивность изнашивания и выбор наиболее рациональных путей повышения долговечности упрочненных МДО деталей, эксплуатирующихся в гидроабразивной среде.

После анализа существующих подходов к разработке модели изнашивания нами выбран механический подход, рациональность которого для описания разрушения при трении связана с достаточной простотой получения этих характеристик и, в некоторых случаях, возможностью описания износостойкости при помощи несложных эмпирических зависимостей вида: U = f (M), где M - механическая характеристика.

5

Эмпирические модели разрабатывали М.М.Хрущев и М.А.Бабичев, В.Тонн, К.Д.Стрэнг, Д.Т.Барвелл и др. Они являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей.

Исследование соотношения твердости абразива и изнашиваемого материала позволило представить их функциональную связь отношением:

Н,

Н

(1)

* /

где <р - коэффициент;

Нм - твердость материала;

На - твердость абразивной частицы.

В дальнейшем с учетом влияния свойств среды и размеров зерен абразивных частиц износ был описан выражением более сложного вида:

На Р -А Ь „ .

Н^--Р'Р ' (2)

где и - массовый износ, кг;

ц - коэффициент трения;

Р - номинальное давление, МПа;

Аа - площадь контакта, м2;

Ь - путь трения, м;

Е - модуль упругости, МПа;

р - плотность изнашиваемого материала, кг/м3;

р - коэффициент, показывающий влияние среднего размера зерна крупной фракции на значение износа материала;

5 - коэффициент, учитывающий влияние жидкости на значение износа.

Наиболее общее заключение ученых, полученное на базе данного подхода, состоит в том, что в общем случае:

> износ пропорционален нагрузке;

> износ обратно пропорционален твердости изнашиваемого материала;

> скорость изнашивания коррелирует со скоростью скольжения.

Для реальных условий эксплуатации насосов СВН-80 и для моделирования изнашивания гидродинамические эффекты при трении в жидкой среде можно учитывать в соответствии с методологией Ю.Н. Дроздова. Используя общепринятые в контактной гидродинамике критерии подобия, влияние гидродинамики учитывали через коэффициент гидродинамического влияния 5:

5 = Вг-Г—^—1 (3}

' \

I

где В, - эмпирический коэффициент;

V - вязкость жидкости, м2/с;

V- скорость скольжения, м/с;

Яа - высота шероховатостей, м.

В нашем случае влияние температуры на значение износа можно не учитывать в связи с высокими эксплуатационными свойствами МДО-покрытий, отводом теплоты через рабочие органы насоса и трении в жидкой среде, которая является охладителем.

Для учета влияния технологических параметров МДО-упрочнения на изнашивание покрытия вводим эмпирический коэффициент у, учитывающий материал детали и режимы МДО.

В конечном итоге получаем уравнение, описывающее гидроабразивное изнашивание МДО-покрытий:

На РАаЬ .

вг

/

V

УЯ.

(4).

//

С помощью данной модели были рассчитаны и построены теоретические кривые зависимости износа МДО-покрытий от различных внешних факторов (рис. 1).

и,

мг

0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 Р, МПа

10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Нц, ГПа

5 10 15 20 25 30 Ъ, М

Рис 1. Теоретические зависимости износа МДО-покрытий от внешних факторов.

3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения исследований использовали литейный алюминиевый сплав АК7ч ГОСТ 1583-93, который применяется для изготовления большинства базовых деталей, применяемых в перерабатывающей промышленности, в том числе корпусов насосов СВН-80.

В качестве материалов, наплавляемых на поверхность образцов из сплава АК7ч, служили сварочные проволоки Св.А97, Св.АМгЗ и Св.АЮО ГОСТ 787190. Для наплавки использовали установку УДГ-180 с горелкой ГДН-201.

Для экспериментов использовали электролиты, содержащие дистиллированную воду, гидроксид калия ГОСТ 24363-80, борную кислоту ТУ 6-09-17-263-89. В качестве композиционного материала использовали мелкодисперсные добавки порошков оксидов алюминия ТУ 40-02067913- 0593, титана ГОСТ 9808-75, железа ГОСТ 9849-75, хрома ТУ 6-09-4272-76, кремния ГОСТ 9428-73. МДО проводили на установке, работающей от трехфазной сети частотой 50Гц напряжением 380В в анодно-катодном режиме. Для получения композиционных МДО-покрытий перемешивание электролита велось двумя способами: механическим (турбинная мешалка) и пневматическим (барботажное перемешивание) с помощью компрессора.

Толщину покрытий контролировали по ГОСТ 9.302-88 вихретоковым толщиномером ВТ-201.

Металлографические исследования и измерение микротвердости покрытий проводили на поперечных шлифах с помощью микроскопа Neophot-21. Микротвердость измеряли устройством mhp-100 при нагрузке на индентор 0,98111.

Сквозную пористость покрытий определяли но ГОСТ 9.302-88 взаимодействием металла основы с реагентом в местах пор с образованием окрашенных соединений.

Исследования прочности сцепления покрытия с основой проводили по ГОСТ 9.302-88. Для этого применяли метод изменения температур.

В качестве критерия долговечности электролита использовали изменение концентрации ионов водорода (pli). О качестве покрытий судили по внешнему виду и одновременно оценивали цвет электролита при МДО и наличие осадка на дне ванны.

Рентгеноструктурные исследования покрытий проводили па дифрактометре общего назначения ДРОН-ЗМ. Для определения фаз оксидов металлов было выбрано излучение меди Си К«-излучение с длиной волны X = 0,154178 нм, Ni-фильтр. Углы сканирования составили 20 = 5. ..60°.

Ускоренные испытания на изнашивание проводили по ГОСТ 17367-71 на машине трения ИИ 5018 по схеме трения «диск - колодка». Образцом-контртелом «диск» служил шлифовальный круг ГШ 63x16x10; 25А СМ-5-К ГОСТ 2424-83. Образец и контртело были помещены в камеру для испытания в жидкой среде. Средой испытания служила вода. Удельная нагрузка на образец составляла 0Д5...3 МПа. Износ оценивали по изменению массы (на аналитических весах ВJIA-200r-M с точностью до 0,00001 г).

Для объективного выбора контролируемых параметров МДО использовали стандартную методику (РДМУ 109-77). Был проведен дробный факторный эксперимент (ДФЭ), равный 24"1, позволяющий получить математическую модель процесса и выбрать контролируемые параметры. Обработка результатов эксперимента, построение математической модели процесса и проверка её

' \

адекватности проводили с использованием ПЭВМ при помощи программного продукта МБ Ехе1.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Структура и свойства композиционных МДО-покрытий. На рис. 2 наглядно представлена графическая интерпретация результатов но исследованию толщины и микротвёрдости покрытий, сформированных в электролитах с добавлением порошков оксидов металлов. Продолжительное!ь МДО - 90 мин.

Вводимые в ^ электролит порошки оксидов металлов "Ь

■ 3, мкм В НУ, ГПа

Рис. 2. Сравнительные данные по микротвбрдости и тотцине покрытий, сформированных МДО в электролитах с добавлением порошков оксидов металлов-1 - без добавки; 2 - А1203 (20 г/л); 3 - 'П02 (20 г/л); 4 - Сг203 (20 г/л);

5 - Ре203 (20 1/л); 6 - ЭЮ2 (20 г/л)

Рентгенограммы, полученные на дифрактометре ДРОН-3, подтверждают наличие в структуре сформированных покрытий веществ, содержащихся в электролитах. Металлографические исследования показали, что присутствие в МДО-покрытии композиционных материалов так же можно наблюдать визуально.

Анализируя полученные данные, можно сказать, что в целом формирование композиционных МДО-покрытий с добавками порошков оксидов металлов приводит к повышению микротвёрдости (при добавлении оксидов алюминия и титана), являющейся критерием их механических свойств, по сравнению со стандартным электролитом на основе борной кислоты (рис. 2) и значительно ускоряет процесс их формообразования, сокращая продолжительность получения покрытия, например, с толщиной рабочего слоя 80...90 мкм (общая толщина 120... 150 мкм) примерно в 1,5 раза. При этом однородность покрытия зависит от дисперсности используемого порошка и поддержания его в электролите во взвешенном состоянии.

Проведенные исследования также подтверждают, что покрытия, полученные способом МДО, неоднородны по толщине и изменяются по физическим свойствам. При этом в покрытии чётко выделяются три зоны: зона I - граничная область перехода между покрытием и материалом основы; зона II - основной слой покрытия, обладающий наибольшей микротвёрдостью; зона III поверхностный слой покрытия, характеризующийся относительно невысокими значениями микротвёрдости.

Влияние химического состава наплавляемого материала и режимов МДО на свойства покрытий.

Толщина покрытий. Все зависимости толщины покрытий от продолжительности процесса практически линейны, наибольшую же толщину покрытий можно получить при плотности тока около 20...30 А/дм. Дальнейшее увеличение плотности тока не приводит к увеличению максимальной толщины.

Результаты исследований показали, что толщина покрытия зависит от режимов МДО и марки алюминиевого сплава (рис. 3).

Повышение плотности тока при постоянных других факторах МДО приводит к увеличению толщины (рис. 3). Этому способствует более интенсивное протекание МДО за счет увеличения числа микроразрядов на оксидируемой поверхности.

V, мкм/мин

20 30

От, А/дм2

Рис. 3. Зависимость толщины (Э) и скорости формирования покрытий (V) от плотности тока для различных наплавляемых материалов:' - Св.А97;^ - Св.АМгЗ;

• - Св.АКЮ. Продолжительность нанесения покрытия 90 мин.

Исследования показали, что с повышением плотности тока микротвердость покрытий, сформированных МДО на сплаве АК7ч, наплавленном материалами Св.А97, Св.АМгЗ и Св.АКЮ возрастает. Связано это с увеличением числа микродуговых разрядов, которые, перекрывая друг друга, интенсивнее оплавляют стенки разрядных каналов. Это приводит к повышению температуры формирующегося покрытия, образовавшийся

гидроксид алюминия при взаимодействии с КОН, обезвоживаясь, образует термодинамически устойчивый а-АЬОз, повышая микротвердость.

Однако при плотностях тока свыше 35 А/дм2 микродуговое разряды сменяются дуговыми. На поверхностях наблюдаются глубокие кратеры и отслоения, происходит разрушение покрытия. Проведение МДО при плотностях тока 5 - 10А/дм2 нерационально с технологической точки зрения, так как для получения требуемой толщины необходимо как минимум З...5ч.

Пористость МДО-покрытий зависит материала основы и режимов МДО. Покрытия, полученные на материале основы Св.А97, имеют наименьшую пористость, в отличие от материалов Св.АМгЗ и Св.АКЮ, образование малопористой керамики на которых затруднено по нескольким причинам. Во-первых, в местах повышенного содержания примесей равномерное покрытие образовываться не может, в результате чего повышается пористость. Во-вторых, при МДО данных сплавов в покрытии образуются интерметаллиды и гальванические микропары, которые повышают скорость растворения покрытия, увеличивая пористость.

Исследование прочности сцепления с помощью метода изменения температур показали, что на контролируемых поверхностях не наблюдалось дефектов покрытия, независимо от плотности тока, материала основы и продолжительности МДО.

Результаты исследования гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий (рис. 4) подтверждают адекватность предложенной модели изнашивания (рис. 1).

Р, М11а

• Св.АКЮ А Св.АМгЗ аСв.А97

Рис. 4. Влияние номинальной нагрузки на износ образцов из сплава АК7ч, наплавленных материалами Св.А97, Св АМгЗ, Св.АКЮ и упрочненных МДО.

Анализ результатов исследования износостойкости позволяет сделать вывод, что МДО-покрытия обладают достаточно высокой износостойкостью и

могут быть рекомендованы для упрочнения деталей оборудования перерабатывающих отраслей, подверженных гидроабразивному изнашиванию.

Исходя из проведенных исследований, можно сделать вывод, что покрытия, полученные на чистом алюминии (Св.А97), имеют наибольшую толщину, малую пористость и высокие физико-механические свойства. При наличии в материале основы примесей и легирующих элементов покрытия становятся более рыхлыми, снижается их толщина и микротвёрдость. Тем не менее, на материале Св.АМгЗ можно получать достаточно толстослойные и твёрдые покрытия, поскольку магний при МДО образует плотные оксидные соединения. Кремний в материале основы приводит к уменьшению толщины, микротвердости, износостойкости и увеличению пористости покрытия. Вероятно, это связано с образованием смешанных оксидов А128Ю5 и гидроксидов, имеющих меньшую твёрдость, чем Л^Оз.

Оптимизация параметров технологического процесса упрочнения МДО.

С использованием методов планирования эксперимента получены зависимости, характеризующие влияние режимов МДО на требуемые характеристики покрытия - толщину рабочего слоя и микротвёрдость. Это позволяет оценить технологическую эффективность МДО-упрочнения и управлять выходными параметрами: микротвёрдостью (для получения износостойких покрытий), толщиной (для получения коррозионно-стойких и электроизоляционных покрытий).

Оптимальными режимами для получения износостойких покрытий при упрочнении корпусов насосов являются: Эт=20...25 А/дм2, Скон =5...6г/л, Сн-,воа =20...25 г/л, Са12о,=20...25 г/л.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Технологический процесс восстановления корпусов насосов СВН осуществляется по двум маршрутам (рис. 5). По первому маршруту должны восстанавчиваться изношенные корпуса, поступившие в ремонт и имеющие износ внутренней торцовой поверхности менее 0,10 мм. По второму маршруту восстанавливают корпуса, имеющие износ более 0,10 мм. Также технологическим процессом предусмотрены операции для деталей, которые кроме износа внутренней торцевой поверхности, имеют сколы, трещины, износ или повреждение резьбы, износ отверстий под торцевые уплотнения и подшипники. Данные дефекты, согласно проведенного анализа, имеют около 20% деталей, поступивших в ремонт.

Наплавка изношенных поверхностей

Рис 5 Структурная схема технологического процесса восстановления и упрочнения корпусных дел алей насосов СВН-80.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии составит свыше 1,5 млн. рублей при программе ремонта 100 шт. в год, что подтверждает целесообразность его внедрения в ремонтное производство.

Растачивание до выведения следов износа

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников установлено, что рациональным способом восстановления деталей оборудования перерабатывающих отраслей АПК из алюминиевых сплавов с большими износами является их наплавка с последующим упрочнением МДО.

2 После проведенного анализа предложена модель гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий, учитывающая взаимное влияние их физико-механических свойств, изнашивающей среды и условий изнашивания. Результаты экспериментальных исследований подтверждают ее достоверность.

3. Для получения упрочняющих МДО-покрытий рекомендуется электролит состава КОН+НзВОэ+А^Оз. Его применение позволит примерно в 1,5 раза сократить продолжительность процесса.

4. В результате проведенных исследований был предложен рациональный присадочный материал для наплавки деталей перед упрочнением МДО (Св.А97). Из-за отсутствия в данном материале примесей получаемые покрытия имеют большие толщину и износостойкость, и меньшую пористость.

5. Выявлена закономерность распределения микротвердости по толщине МДО-покрытия, что дает возможность задать оптимальный припуск на финишную обработку после упрочнения для обеспечения его наилучшей износостойкости.

6. С использованием методов планирования эксперимента были оптимизированы факторы (плотность тока, концентрация компонентов электролита), влияющие на толщину рабочего слоя и микротвёрдость покрытий. Оптимальными режимами для получения износостойких покрытий при упрочнении деталей после наплавки являются: Е)т=20...25 А/дм2, Скон =5...6г/л, Сн,во, =20...25 г/л, Саьо3=20...25 г/л.

7. На основе проведенных исследований разработан технологический процесс восстановления и упрочнения корпусных деталей насоса СВН-80, который принят к внедрению на Кромском маслодельном заводе Орловской области, а также внедрен в учебный процесс ФГОУ ВПО РГАЗУ.

8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит свыше 1,5 млн. рублей при программе ремонта насосов СВН-80 сто штук, что подтверждает целесообразность его внедрения в ремонтное производство.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Ферябков Л В Способы восстановления и упрочнения изношенных деталей технологического оборудования перерабатывающей промышленное! и.//Сборник научных трудов (Инженерный факультет агропромышленному комплексу) М.: РГАЗУ, 2001. -С.95 -97.

2 Батищев А Н , Кузнецов Ю А , Севостьянов A.JI, Ферябков А.В Восстановление и упрочнение деталей из алюминиевых сплавов микродуговым оксидированием.//Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ Брянск.: Издательство Брянской ГСХА. 2002. С.147 - 151.

3 Батищев АII, Кузнецов Ю А., Севостьянов А.Л., Ферябков A.B. Слабое звено -клапанная коробка.//Селъский механизатор - 2002. - №10 - С.29.

4 Батитцев А.Н , Севостьянов А Л , Ферябков A.B. Микротвердость покрытий, полученных на алюминиевых сплавах микродуговьтм оксидированием .//Научные труды РГАЗУ (Агроинженерия). - М : РГАЗУ, 2002. С.83 - 86.

5 Севостьянов А.Л., Ферябков А.В Выбор и оптимюация параметров технологического процесса упрочнения деталей микродуговым оксидированием //Научные труды РГАЗУ (Агроинженерия). - М : РГАЗУ, 2002. С.86 - 89.

6 Ферябков A.B. Механизм формирования и свойства композиционных МДО-покрытий //Научные труды РГАЗУ (Агроинженерия). - М.: РГАЗУ, 2002. С. 104 - 107.

7 Батищев А.Н., Кузнецов Ю А.. Севостьянов А.Л., Ферябков A.B. Износостойкость покрытий, сформированных микродуювым оксидированием.//Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ Брянск ■ Издательство Брянской ГСХА. 2003. С 117 - 120

8 Баттцев А.Н., Севостьянов А Л., Ферябков А.В Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов, упрочненных микродуговым оксидированием.//Вестник МГАУ (Технический сервис в агропромышленном комплексе). - Выпуск №1/2003. — с. 115 — 117.

9. Батищев А.Н., Севостьянов А.Л., Ферябков A.B. Исследование пористости покрытий, упрочненных микродуговым оксидированием.//Вестник МГАУ (Технический сервис в агропромышленномкомплексе).-Выпуск№1/2003.-с.И7 - 119.

10. Батищев А.Н., Севостьянов АЛ , Ферябков А.В, Долговечность электролита на оспове КОН - Н3ВО3 при микродуговом оксидировании.//Вестпик МГАУ (Технический сервис в агропромышленном комплексе). - Выпуск №1/2003.-с. 119- 120.

11. Батищев А.Н., Севостьянов А.Л., Ферябков A.B., Кузнецов Ю.А. Упрочнение деталей микродуговым оксидированием //Мех. и электр. сел. -хоз-ва. - 2003. - №9 - С.25.

12. Батищев А.Н , Ферябков А.В, Севостьяно А.Л. Свойства покрытий, сформированных микродуговым оксидированием //Известия ОрелГТУ Серия «Строительство. Транспор-i». - 2004. - №1-2. - С.67 - 69.

13 А.Н.Батищев, А.В Ферябков, Ю.А. Кузнецов, АЛ. Севостьянов Микродуговое оксидирование как способ упрочнения деталей оборудования перерабатывающих отраслей АПК//Материалы международной научно-технической конференции (Научные проблемы и перспективы развития, ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей). - М.: ГНУ ГОСНИТИ, 2004. С. 23 - 26.

14. Батищев А.Н., Ферябков A.B., Севостьянов А.Л. Структурная модель гидроабразивного изнаншвания МДО-покрытий.//Вестник РГАЗУ (Агроинженерия). - М.: РГАЗУ, 2004, С.7 -9.

15. Батищев А.Н., Ферябков А.В Разработка модели гидроабразивного изнашивания деталей, упрочненных микродуговым оксидированием / Надежность и ремонт машин: Сборник материалов международной научно-технической конференции, т.2. - Орел. Изд-во ОрелГАУ, 2004.- С. 151-154.

16. Патент РФ № 2229542 С 25 D 11/08. Электролит микродугового оксидирования алюминия и его сплавов. / Батищев А Н., Севостьянов А.Л, Ферябков A.B. Опубл. БИ №15,2004.

№10400

/

/

РНБ Русский фонд

2006-4 14192

\ \

Оригинал-макет подписан к печати 27.04.2005 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз. Ь&Л #2 /Л.

Издательство РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯМ

1.1 Алюминиевые сплавы, применяемые в перерабатывающей промышленности и их характеристики.

1.2. Возможные способы восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих отраслей из алюминиевых сплавов.

1.3. Микродуговое оксидирование как способ упрочнения деталей из алюминиевых сплавов.

1.3.1. Краткая характеристика способа и эксплуатационных свойств деталей, подвергнутых МДО.

1.3.2. Электролиты МДО, применяемые для восстановления и упрочнения деталей.

1.3.3. Композиционные МДО-покрытия с использованием порошков оксидов.

1.4. Обоснование возможности применения способа восстановления деталей перерабатывающих отраслей наплавкой с последующим упрочнением МДО.

1.5. Анализ условий работы и технического состояния деталей перерабатывающих отраслей из алюминиевых сплавов на примере корпусных деталей насосов СВН-80.

1.6. Выводы и задачи исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ.

2.1. Выявление структурной модели трибологической системы.

2.1.1. Характеристика абразивного изнашивания.

2.1.2. Характеристика изнашивающей среды и влияние свойств абразивных частиц на изнашивание.

2.1.3. Условия изнашивания.

2.2. Обоснование методики испытаний на изнашивание.

2.3. Разработка модели изнашивания МДО-покрытий.

2.3.1. Обзор существующих моделей.

2.3.2. Модель гидроабразивного изнашивания МДО-покрытий

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Материалы и оборудование для проведения исследований.

3.1.1. Образцы для проведения исследований.

3.1.2. Установка микродугового оксидирования.

3.1.3. Получение композиционных МДО-покрытий в электролитах с добавлением порошков оксидов металлов.

3.1.4. Электролиты, их приготовление, контроль, корректировка.

3.1.5. Установка и режимы аргонно-дуговой наплавки.

3.2. Методики измерения толщины, удельной массы, скорости формирования, плотности МДО-покрытий.

3.3. Методика измерения микротвердости покрытий и проведения металлографических исследований.

3.4. Методика измерения сквозной пористости покрытий.

3.5. Методика испытаний на изнашивание о закрепленные абразивные частицы.

3.6. Методика контроля сцепляемости МДО-покрытий.

3.7. Методика проведения рентгеноструктурного анализа.

3.8. Методика оптимизации параметров технологического процесса упрочнения способом МДО.

3.8.1. Цели и задачи применения метода.

3.8.2. Планирование и проведение эксперимента.

3.9. Методика измерения рН электролита и оценки его долговечности.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Исследование структуры и свойств композиционных МДО-покрытий.

4.2. Влияние химического состава наплавляемого материала и режимов МДО на свойства покрытий.

4.2.1. Толщина, скорость формирования и микротвердость покрытий.

4.2.2. Пористость покрытий.

4.2.3. Прочность сцепления покрытий.

4.2.4. Износостойкость покрытий.

4.3. Оптимизация параметров технологического процесса упрочнения способом МДО.

4.4. Выводы.

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

5.1. Рекомендации для разработки технологических процессов упрочнения деталей МДО.

5.2. Долговечность электролита и его регенерация.

5.3. Технологический процесс восстановления корпуса насоса СВН-80.

5.4. Экономическая эффективность от восстановления корпусов насосов СВН-80.

5.5. Экология.

Восстановление и упрочнение изношенных деталей многие годы не теряет своей актуальности, поскольку является основным путём снижения себестоимости и повышения качества ремонта оборудования. Данный вопрос, применительно к перерабатывающим отраслям АПК, заключается не только в обеспечении технологического качества восстанавливаемых деталей при сравнительно низкой себестоимости их восстановления, но и в строгом соблюдении санитарно-гигиенических требований, исключающих загрязнение пищевых продуктов.

В условиях ограничения финансовых и материальных ресурсов, снижения поставок оборудования и запасных частей в перерабатывающее производство, старения и удорожания перерабатывающего оборудования, нехватка и дороговизна запасных частей вызывают необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологических процессов ремонта машин. Большая роль в этом процессе отводится эффективному использованию имеющегося оборудования, постоянному поддержанию его готовности за счет технического обслуживания и ремонта.

Оборудование предприятий перерабатывающих производств АПК работает в тяжелых условиях при высоких температурах во влажной атмосфере, при значительных скоростях относительного перемещения трущихся деталей. В ряде случаев рабочие среды содержат абразивные примеси. Из-за нехватки запасных частей предприятия пищевой промышленности несут огромные убытки по причине аварийных отказов и длительного простоя оборудования, что приводит к порче пищевых продуктов, снижению их качества.

Анализ конструкторско-технологической документации оборудования перерабатывающих производств показывает, что свыше 70% быстроизнашивающихся деталей можно восстанавливать [41]. Поэтому большим резервом увеличения объемов восстановления деталей для оборудования предприятий перерабатывающих производств АПК является использование мощностей ремонтных предприятий. Однако применяемые в настоящее время технологические процессы не всегда удовлетворяют современным требованиям, в частности, многие из них не позволяют упрочнять рабочие поверхности деталей или восстановленные детали не соответствуют санитарным нормам и правилам и подвержены коррозии. Поэтому весьма актуальными являются исследования, направленные на разработку современных технологических процессов восстановления и упрочнения изношенных деталей.

Одним из способов восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих производств, имеющих большие износы и сложную конфигурацию, является применение наплавки и микродугового оксидирования. Повышение износостойкости при восстановлении деталей увеличивает ресурс оборудования и является перспективным направлением в ремонтном производстве.

В исследованиях Маркова Г.А., Гордиенко П.С., Гнеденкова С.В., Малышева В.Н., Снежко JI.A., Черненко В.И., Мироновой М.К., Федорова В.А., Герций О.Ю., Католиковой Н.М., Эпельфельда А.В., Атрощенко Э.С., Чуфистова О.В., Барыкина Н.В., Кузнецова Ю.А., Коломейченко А.В., Денисьева С.А., Коровина А .Я., Севостьянова A.JI. и многих других, показана перспективность этого способа, позволяющая получать износостойкие, коррозионностойкие покрытия, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям ремонтного производства и санитарных норм.

За последнее время накоплен большой опыт в области микродугового оксидирования. Вместе с тем до настоящего времени этот процесс остается недостаточно изученным применительно к восстановлению и упрочнению деталей перерабатывающих производств АПК.

В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии восстановления и упрочнения деталей оборудования перерабатывающих производств АПК.

Работа выполнена на кафедре надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского государственного аграрного заочного университета (ФГОУ ВПО РГАЗУ).

1.6. Выводы и задачи исследования

На основании анализа литературных данных было установлено:

1. Для восстановления деталей из алюминиевых сплавов, имеющих большие износы, рациональным способом является наплавка.

2. Большинство существующих способов упрочнения не удовлетворяет основным критериям, которые должны соблюдаться при восстановлении деталей перерабатывающих отраслей АПК, требуют сложного оборудования и больших производственных площадей.

3. Повышения износостойкости восстановленных деталей можно добиться применением упрочняющих технологий, являющихся экономичными и экологически безопасными. Одним из современных и перспективных способов восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов является МДО; данный способ наиболее приемлем для упрочнения деталей, подверженных абразивному изнашиванию.

4. МДО в электролитах с добавками порошков оксидов металлов является перспективным, поскольку позволяет существенно снизить энергоемкость процесса и повысить физико-механические свойства покрытий, и в то же время малоизученным способом упрочнения.

5. Существует проблема при получении качественных МДО-покрытий на сплавах, содержащих кремний. Решением вышеназванной проблемы при разработке технологического процесса упрочнения деталей

МДО может послужить применение для восстановления его размеров материала с минимальным содержанием легирующих элементов, отрицательно влияющих на свойства покрытий.

На основании изложенного можно сделать заключение, что целью настоящей работы является разработка технологии восстановления деталей перерабатывающего оборудования наплавкой с последующим упрочнением микродуговым оксидированием. В качестве объекта для производственной проверки предложенной технологии выбраны корпусные детали насоса СВН-80.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи исследований:

1. Выбрать электролит МДО. Исследовать влияние состава электролита МДО на толщину, микротвёрдость и структуру покрытий.

2. Выбрать наплавляемый материал для восстановления размеров изношенных деталей перед МДО-упрочнением. Исследовать влияние легирующих элементов, содержащихся в наплавленном металле, на толщину, скорость формирования, пористость, микротвёрдость МДО покрытия.

3. Исследовать абразивную износостойкость МДО-покрытий и разработать модель их изнашивания.

4. Произвести оптимизацию параметров технологического процесса упрочнения деталей МДО. Разработать технологический процесс восстановления деталей наплавкой с упрочнением композиционным МДО на примере корпусных деталей насоса СВН-80.

5. Определить экономическую эффективность технологии.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ

2.1. Выявление структурной модели трибологической системы

Повышение износостойкости восстановленных деталей возможно на основе достоверной информации о механизме разрушения их материала абразивными телами, знания процессов, происходящих в изнашиваемом слое под воздействием абразива.

Изучение характера этих процессов и оценка их удельного вклада в сопротивляемость изнашиванию позволяет определить те свойства материала, которые в набольшей мере контролируют его способность противостоять разрушению при взаимодействии с абразивом и сформулировать требования к составу и структуре МДО-покрытия.

Особенность абразивного изнашивания состоит в том, что прямое разрушение поверхностного слоя материала детали в каждый данный момент времени составляет незначительную часть от числа контактов абразивных тел с рабочей поверхностью детали. Результат взаимодействия абразивных частиц с изнашиваемой поверхностью сопровождается сопутствующими процессами - выделением теплоты, увеличением плотности дислокаций в рабочем слое, структурными превращениями и т.п. Сложность явлений, протекающих в зоне контакта абразивного тела и испытуемого материала в процессе каждого единичного акта изнашивания обусловлена большим числом факторов, зависящих от условий испытания и комплекса свойств сплавов и абразивных частиц.

Для глубокого понимания сущности абразивного изнашивания необходимо всестороннее изучение большого числа факторов, определяющих интенсивность изнашивания и выбор наиболее рациональных путей повышения долговечности деталей машин, эксплуатирующихся в абразивной среде. Выявление влияния на износостойкость каждого из этих факторов возможно лишь при использовании смежных наук - триботехники, физико-химической механики материалов, физики твёрдого тела, материаловедения, а также технологии эксплуатации машин.

За последние годы знания о природе и особенностях механизма изнашивания материалов значительно расширились благодаря применению при исследовании совершенных методик и средств изучения изменений, происходящих в поверхностных слоях изнашиваемого материала, установлению связи между характером взаимодействия твердых тел в зоне контакта и реальным строением поверхностного слоя металла. В любом случае при всех условиях изнашивание осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности законом сохранения энергии. Для того чтобы отделить от монолитной детали некоторый микро или макро объем, нужно затратить энергию, по крайней мере, равную энергии, необходимой для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. Изменение внутренней энергии изнашиваемого материала равно энергии новых поверхностей, образующихся при разрушении, и энергии, аккумулируемой в металле в виде скрытой энергии деформации при взаимодействии с изнашивающей средой. При этом происходит разрыв межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решётки от другой и образованию новых поверхностей. Эти явления требуют для своего осуществления определённых энергических затрат и могут осуществляться, если металлу сообщено необходимое её количество.

Если пренебречь расходом энергии на трение, тепловой эффект и процессы, происходящие в самом абразивном зерне, то разрушение станет возможно только тогда, когда рабочая поверхность будет насыщена энергией, достаточной для осуществления в рабочем слое указанных выше необратимых процессов, а также зарождения и развития трещин.

Количество рабочих циклов изнашивания, необходимое для накопления в изнашиваемом материале энергии, достаточной для разрушения, составит: m = Ем/Еа.

Количество энергии, поглощаемой рабочей поверхностью и в значительной степени определяющей способность к сопротивлению изнашиванию абразивными телами, зависит от энергоёмкости процессов, протекающих в материале при взаимодействии с абразивом.

Еще одной разновидностью абразивного изнашивания является гидроабразивное изнашивание. Гидро- и газоабразивное изнашивание возникает при действии на поверхность потоков газа или жидкости, содержащих частицы абразива.

При отсутствии абразивных частиц в струях жидкостей или газов наблюдается эрозионное изнашивание.

К данной разновидности изнашивания близко кавитационное изнашивание. Кавитационное изнашивание возникает, когда жидкость обтекает края препятствий, например рабочего колеса насоса СВН. На краях препятствий резко изменяется скорость течения, образуются разрывы в кавитационные образования, заполненные паром, которые, захлопываясь, создают ударные волны. Многократное ударное воздействие расшатывает кристаллы металлической поверхности, которые через некоторое время выкрашиваются.

Структурная схема модели изнашивания МДО-покрытий представлена на рис. 2.1. В данной схеме взаимодействуют физико-механические свойства покрытий, изнашивающая среда и условия изнашивания.

1. Размер и форма абразивных зёрен. 2. Механические свойства абразива. 3. Сопутствующая среда.

1. Изнашивающая среда

1. Температура. 2. Давление. 3. Характер приложенной нагрузки. 4. Скорость относительного перемещения. 5. Степень коррозионного воздействия.

2. Внешние условия изнашивания

1. Структура покрытия. 2. Содержание в покрытии упрочняющих фаз а и у - А1203. 3. Физико-механические и коррозионные свойства.

3. МДО-покрытие

Рис. 2.1. Структурная модель реальной сложной многоуровневой трибологической системы (насос СВН)

В общей схеме единой системы, определяющей изнашивание, изнашивающая среда - условия изнашивания - изнашиваемый материал (МДО-покрытие) нельзя выделять любой из этих трёх звеньев как наиболее важный. Влияние каждого из них одинаково существенно.

Поскольку результат совместного и одновременного участия всех этих трёх компонентов в общем процессе проявляется на материале рабочей поверхности детали, естественно, исследователи при анализе изнашивания главное внимание уделяли рабочим органам машины или агрегата, вышедшим из строя по причине изнашивания. Исходя из этого, основные усилия в области повышения износостойкости и срока службы машин были сосредоточены на поиске таких материалов, которые обладали бы наибольшей способностью к сопротивлению изнашиванию. При этом подразумевалось, что другие два равноправных компонента изнашивания: изнашивающая среда и условия изнашивания являются величинами постоянными.

Разработанные новые или подобранные среди уже существующих при таком подходе износостойкие материалы в иных условиях оказывались менее износостойкими или даже вообще не износостойкими.

1.1. Характеристика абразивного изнашивания

2. Обычно вид изнашивания определяется условиями службы деталей. Однако в ряде случаев одним и тем же внешним условиям эксплуатации могут соответствовать различные виды изнашивания.

3. Как показал анализ причин износа насосов СВН-80, рабочее колесо и корпусные детали подвержены, в основном, гидроабразивному изнашиванию и изнашиванию в незакреплённой массе абразива.

4. Рис. 2.2. Зависимость относительной износостойкости от отношения твердостей абразива и металла 144.

5. При постоянной твёрдости материала твёрдость и размер абразивных частиц влияют на изнашивание только до определённого значения этих показателей и затем изнашивание остаётся на одном уровне при всех схемах внешнего силового воздействия.

6. Обоснование методики испытаний на изнашивание

7. Разработка модели изнашивания МДО-покрытий23.1. Обзор существующих моделей

8. Существующие расчетные модели изнашивания можно условно разделить на пять типов: эмпирические, полуэмпирические, энергетические, кинетические и синергетические.

9. Эмпирические модели разрабатывали М.М.Хрущев и М.А.Бабичев, В.Тонн, К.Д.Стрэнг, Д.Т.Барвелл и др. Они являются самыми ранними представителями расчетных моделей, в большинстве случаев предназначенных для оценки абразивного изнашивания деталей.

10. При изучении изнашивания металлов, сплавов и минералов о жестко закрепленное абразивное зерно В.Н. Кащеевым, В. Тонном и др. для большого числа испытанных материалов установлена нелинейная зависимость износа от модуля упругости Е:

11. Однако дальнейшее изучение этой зависимости показало, что авторами в опытах не было обеспечено постоянство влияния всех факторов на изнашивание материала. В ходе испытаний у них менялось соотношение значений твердости и абразива и материала.

12. Тем не менее, исследование соотношения твердости абразива и изнашиваемого материала позволило представить их функциональную связь отношением1. U = 0,49-10~4 -Е1'3.1,32.1)2.2)где ф коэффициент;

13. На твердость абразивной частицы.

14. V- скорость скольжения, м/с;

15. Ra высота шероховатостей, м.

16. В нашем случае влияние температуры на значение износа можно не учитывать, в связи с высокими эксплуатационными свойствами МДО-покрытий, отводом теплоты через рабочие органы насоса и трении в жидкой среде, которая является охладителем.

17. Для учета влияния технологических параметров МДО-упрочнения на изнашивание покрытия вводим эмпирический коэффициент у, учитывающий материал детали и режимы МДО.

18. В конечном итоге получаем уравнение, описывающее гидроабразивное изнашивание МДО-покрытий:1. На Р • А • L .1. U = (i--JL--^--P'P'Y'•tl. ьвгv ^1. V-R2.5)

19. С помощью данной модели были рассчитаны и построены теоретические кривые зависимости массового износа МДО-покрытий от различных внешних факторов (рис. 2.3).

20. Зависимость коэффициента трения от номинальной нагрузки при изнашивании МДО-покрытий широко представлена в работах ученых (табл. 2.1).