автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники электроконтактной приваркой металлической ленты

4859487

На правах рукописи

Серов Антон Вячеславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПРИВАРКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛЕНТЫ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

1 О НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

4859487

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Бурак Павел Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Евграфов Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Оськин Владимир Александрович

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный вечерний металлургический институт»

Защита состоится 5 декабря 2011г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО МГАУ по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корп. 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ. Автореферат разослан 1 ноября 2011 г. и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МГАУ (www.msau.ru) 1 ноября 2011 г. и на сайте Высшей аттестационной комиссии (http://vak.ed.gov.ru/) 1 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А. Г. Лев шин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На фоне развития научно-технического прогресса, связанного с созданием новой техники, особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Их решение неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей и конструкций от коррозии и изнашивания, а также с необходимостью восстановления изношенных деталей.

В настоящее время разработаны различные методы восстановления деталей машин сельскохозяйственной техники, среди которых лидирующее положение занимают способы наплавки, предусматривающие расплавление основного и присадочного материалов. Эти способы позволяют значительно повысить производительность труда, получить наплавленные слои с особыми свойствами. Вместе с тем, применение этих способов в некоторых случаях затруднено вследствие значительного термического влияния на металл детали, окисления и выгорания легирующих элементов в основном и присадочном металлах, необходимости больших припусков на последующую механическую обработку, значительного расхода присадочного металла, необходимости значительных подготовительных операций, наличия газовыделения и интенсивного светового излучения.

Перспективным способом увеличения долговечности деталей машин и механизмов сельскохозяйственной техники при сравнительно незначительном термомеханическом воздействии является электроконтактная приварка (ЭКП) металлической ленты с использованием промежуточных слоев на основе высокоактивных аморфных лент.

Цель работы. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент.

Объект исследования. Технологический процесс восстановления деталей сельскохозяйственной техники ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя

Предмет исследования. Механизмы формирования покрытия ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя из высокоактивных аморфных лент.

Научная новизна работы заключается в повышении долговечности деталей сельскохозяйственной техники за счет использования промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент в технологических процессах восстановления деталей машин ЭКП металлической ленты.

Реализация результатов работы. Даны практические рекомендации по восстановлению деталей сельскохозяйственной техники ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент. Усовершенствована сварочная головка установки «011-1-10» «Ремдеталь» (патент на изобретение № 2397051 и патент на полезную модель № 103772) за счет разработки механизма фиксации и смещения роликового

электрода, что позволило улучшить качество восстанавливаемых и упрочняемых деталей. Результаты исследований были внедрены в следующих организациях: ООО «Фирма Крот» (Москва), ООО «АСТ-Колхоз Клинский» (Московская область), ООО «Механика» (Москва), ФГУП «Алексинский опытный механический завод» (Тульская область).

Апробация работы. Результаты работы были представлены на 11 международных научно-практических конференциях и выставках, наиболее значимыми из которых являются: 1) Международная научно-практическая конференция «Инновации в образовании и науке», (ФГОУ ВПО МГАУ, Москва, 2009 г.); 2) Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы автомобильного транспорта», посвященная 80-летию со дня рождения профессора К. В. Рыбакова (ФГОУ ВПО МГАУ, Москва, 2009 г.); 3) 12-я Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в животноводстве - стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 г.» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, Подольск, 2009 г.);

4) Семинар заведующих кафедрами ремонта и надежности машин на тему: «Инновационные технологии в подготовке высококвалифицированных кадров для технического сервиса в АПК» (ФГОУ ВПО МГАУ, Москва, 2009 г.);

5) Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2009) (Москва, ВВЦ, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, получено два патента Российской Федерации (патент на изобретение №2397051 и патент на полезную модель № 103772). Общее количество печатных листов - 4,8 п.л., из них личный вклад автора - 2,3 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Работа изложена на 208 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков, 25 таблиц, библиографию из 191 источника, приложения на 14 страницах. На защиту выносятся:

результаты теоретических исследований выбора режимов ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент;

эмпирические зависимости прочности соединения и протяженности зоны термического влияния, полученные методом многофакторного эксперимента;

результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств полученного покрытия;

результаты внедрения технологического процесса ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент и модернизированного оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Проведен анализ материалов и оборудования для ЭКП. Показана сущность электроконтактной приварки как способа восстановления деталей машин и ее особенности при формировании покрытия и соединения его с основой. Рассмотрены особенности получения покрытий из металлических лент. На основании анализа литературных данных установлено, что использование промежуточного слоя при соединении покрытия с основным металлом в твердом состоянии позволяет значительно повысить качество получаемых покрытий. Отмечено, что значительный вклад в развитие метода ЭКП внесли А. В. Поляченко, Ю. В. Клименко, Э. С. Каракозов, Р. А. Латыпов, Н. Н. Дорожкин, М. Н. Фархшатов, А. В. Беречикидзе, М. 3. Нафиков и др.

На основании проведенного анализа сформулированы следующие задачи исследования:

теоретически и экспериментально исследовать влияние режимов ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент на формирование покрытия и качество его соединения с основным металлом;

изучить физико-механические свойства покрытия, полученного ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент;

разработать технологический процесс восстановления деталей машин сельскохозяйственной техники ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент; модернизация оборудования для восстановления деталей ЭКП; экономически обосновать технологию восстановления деталей машин сельскохозяйственной техники ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент.

2. Теоретические исследования электроконтактной приварки металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент

Рассмотрены механизмы формирования соединения в твердой фазе через промежуточные слои из высокоактивных аморфных лент. Показано, что силу сварочного тока при ЭКП находят из формулы критерия Фурье, а время импульса - из соотношения между критерием тепловыделения и критерием Фурье. Методом математического моделирования получена расчетная формула для усилия сжатия роликовых электродов в зависимости от прогнозируемой деформации металлической ленты:

Р = 0,2-Я-ЗД4-1/ДЛ(2Г - ДА)- ^у + ^ДЛ(2гф - Д/г)^, (1)

где Р - усилие сжатия роликовых электродов, кН; Е - модуль Юнаг, Па; Д/г -осадка ленты, м; г - радиус роликового электрода, м; Ьэ - ширина рабочей

поверхности роликового электрода, м; Гф - радиус скругления фаски роликового электрода

При рассмотрении теплового баланса процесса ЭКП получено уравнение для расчета оптимальной величины расхода охлаждающей жидкости:

у 0,25

0,5Re^Pr°'38(g)' *(tc - У Tri

6 ac(tK-tH) + (l-a)r ' (2)

где G - расход охлаждающей жидкости, л/с; Re - число Рейнольдса; Ргж и Ргс -значения критерия Прандтля; Я - коэффициент теплопроводности жидкости (для воды А = 0,6), Вт/(м'К); tc - температура стенки детали, °С; /ж- температура жидкости, °С; а - доля неиспарившейся воды; а - коэффициент теплоотдачи; tK - температура воды конечная, °С; h - температура воды начальная, °С; г -теплота парообразования при tc, Дж/кг.

Из условия, что коэффициентом перекрытия сварочных площадок является путь, пройденный роликовым электродом за время паузы, отнесенный к диаметру сварочной точки, методом математического моделирования получены формулы для расчета коэффициента перекрытия по диаметру приварки:

_ 7mDt„

кш~1~60' (3) где п - частота вращения детали, мин'1; D - диаметр детали, м; tn - время паузы, с; dx - диаметр сварочной точки.

Коэффициент перекрытия сварочных площадок между витками приварки:

где S - продольная подача, мм/мин.

Оптимальное значение перекрытия сварочных точек как по диаметру, так и между витками, полученных ЭКП, равно 0,7Id, или кПп = кш = 0,71. Для проверки полученных формул (3) и (4) произведен расчет fcnn, fens по рекомендуемым режимам ЭКП компактных и порошковых материалов, полученные значения представлены в таблице 1.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что расчетные значения knn> ^ns для диаметров восстанавливаемых деталей от 15 до 130 мм находятся в интервале от 0,07 до 0,68, что обеспечивает оптимальное значение перекрытия сварочных точек как по диаметру, так и между витками приварки.

Используя механизм многофакторного эксперимента, методом статистического моделирования получены эмпирические зависимости, позволяющие прогнозировать параметры покрытий, получаемых ЭКП ленты через промежуточный слой из высокоактивных аморфных лент, в зависимости от тепловложений и коэффициентов перекрытия сварочных площадок.

Для протяженности зоны термического влияния:

7ЭТВ = 559,78 + 3646Q - 461,21кПп - 472fcns, (5)

где Zjre - глубина зоны термического влияния, мкм.

Таблица 1 - Расчетные значения коэффициентов /сПп и Агпз в зависимости от диаметра восстанавливаемой детали и режима ЭКП, при рабочей

Диаметр Частота Продольная Минимальный Длитель- Коэффициент Коэффициент

детали, мм вращения подача диаметр ность перекрытия перекрытия

детали п, электродов сварочной паузы сварочных сварочных

об/мин мм/об ТОЧИ! tn,C ачощадок площадок

(/„ мм по диаметру между витками <сш

15 7... 10 2...3 3,1 0,08...0,12 0,14...0,30 0,32...0,48

20 7...8 3 3,3 0,08...0,12 0,18...0,30 0,45

30 5...6 4 3,5 0,08...0,12 0,18...0,32 0,57

40 4...5 4 3,7 0,08...0,12 0,18...0,34 0,54

50 3...4 4...5 3,9 0,08...0,12 0,16...0,32 0,51... 0,64

60 3...3.5 5 4,0 0,10...0,12 0,24... 0,33 0,63

70 2,5... 3,5 5...6 4,2 0,10...0,12 0,22... 0,37 0,60

80 2,0...2,5 б 4,4 0,10...0,12 0,19...0,29 0,68

100 1,5...2,0 6 4,4 0,10...0,12 0,18...0,29 0,68

130 0,5... 1,0 б 4,4 0,10...0,12 0,07...0,19 0,68

Прочности соединения покрытия с основой:

г = -209,85 + 5175(2 - 355,52кт - 71,4кП5, (6)

где т - прочность, МПа.

По полученным формулам (5) и (6) и экспериментальным данным были построены графики зависимости прочности соединения от тепловложений и коэффициентов перекрытия по диаметру и между витками (рисунок 1) и зависимость протяженности зоны термического влияния от тепловложения и перекрытия сварочных точек (рисунок 2).

Перекрытие по ширине,

Рисунок 1 - Зависимость прочности соединения от тепловложений и коэффициентов перекрытия по диаметру и между витками: - экспериментальные данные; — расчетные данные

1 а855 а?1 1 0,855 0,71 1 0,855 0,71

Перекрыта« по ширин»,

Рисунок 2 - Зависимость протяженности зоны термического влияния от тепловложения и перекрытия сварочных точек: - экспериментальные данные; — расчетные данные

На основании рассмотренных зависимостей разработана компьютерная программа, позволяющая значительно ускорить процесс подбора режимов ЭКП и прогнозирования параметров получаемых покрытий.

3. Методика экспериментальных исследований

Для определения задач, решение которых необходимо для реализации исследования, был разработан план работ для достижения поставленной цели. Разработку общей и частных методик исследования проводили в соответствии с планом исследований. Принятая в работе общая методика исследования является экспериментально-теоретической и предусматривает проведение экспериментальных исследований, направление которых определяли на основе анализа литературных данных, с последующей оценкой полученных результатов, их теоретическим обоснованием и необходимой коррекцией последующих исследовании. Ряд отдельных экспериментальных задач решали на основе предварительной разработки теоретических предпосылок.

Электроконтактную приварку образцов осуществляли на установке «011-1-10» «Ремдеталь». Тарирование величины сварочного тока данных установок проводилось с помощью измерителя сварочного тока ИСТ-02.

Исследования проводили на образцах диаметром 25 и 50 мм Основным металлом образцов являлась сталь 20, сталь 45 (ГОСТ 1050-74) и чугун СЧ 15 (ГОСТ 1412-79) В качестве присадочного материала приварки использовали ленту 50ХФА (ГОСТ 2283-79) и ленту 12Х18Н10Т (ГОСТ 4985-79) толщиной 0,5 мм,

В качестве промежуточного слоя использовали высокоактивные аморфные ленты марки Стемет 1108,1202,1301, 1311 (ТУ 1842-004-13293050 -96).

Прочность соединения приваренного металла с основой т определяли как отношение усилия среза Рср к площади соединения F.

Сегменты для макро- и микрошлифов вырезали на абразивном отрезном станке «Brillant 201» и запрессовывали горячим методом на автоматическом гидравлическом прессе с водяным охлаждением «Opal 460» в фенольные и эпоксидные порошки, а также использовали метод холодной заливки в метилметакрилатные и эпоксидные препараты.

Готовые макро- и микрошлифы размерами 25,2 и 50 мм шлифовали и полировали на двухдисковом шлифовально-полировальном станке «Saphir 530», используя для шлифования диски с алмазным покрытием «Carneo Platinum» и полировальную бумагу. Для выявления микроструктуры приготовленные шлифы травили двумя реактивами: реактивом «А» (соляная кислота - 50 мл, медный купорос - 10 г, этиловый спирт - 50 мл) - покрытие; реактивом «Б» (4 %-ный спиртовой раствор азотной кислоты) - зону термического влияния и основной металл. Исследование микроструктуры проводили на микроскопах «МИМ-8» и «Axiovert 40 МАТ».

Замеры микротвердости соединений, полученных ЭКП, проводили на приборе ПМТ-ЗМ и микротвердомере «Duramin 2».

Микрорентгеноспектральный анализ проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-6610LV фирмы «JEOL», оборудованном волнодисперсионным спектрометром INCAWave 500.

Коррозионную стойкость определяли по методу потери массы помещением образцов в камеру тепла и влаги.

Усталостные испытания проводили на машине МУИ-6000.

Испытания на ударную вязкость образцов проводили на маятниковом копре 2130 КМ-0,3 при максимальной энергии удара маятника 300 Дж.

Испытания на износостойкость проектируемых покрытий осуществляли двумя способами: 1) по схеме ролик - колодка на машине трения ИИ 5018; 2) на установке ИМ-01 на плоских образцах.

4. Исследования особенностей электроконтактной прнваркн металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент

Влияние усилия сжатия на формирование покрытия из стали 50ХФА с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311 и прочность соединения его с основой из стали 45 (рисунок 3) оценивали при J-5,3 кА, íH = 0,04 с, /„ = 0,10 с, обеспечивающих срез фиксированной площадки по зоне соединения согласно рекомендациям по ЭКП стальной ленты к цилиндрическим деталям диаметром 50 мм. Видно, что зависимость прочности соединения т покрытия с основой в рассмотренном интервале Р = 1,0...2,5 кН имеет экстремальный характер при Р = 1,25...2 кН, но при Р = 1,5 т максимальна. Поэтому исследование влияния других основных технологических параметров режима ЭКП (J и í„) на формирование покрытия и качество соединения его с основой проводили при Р = 1,5 кН. Выявили влияние величины тока J в импульсе и длительности его протекания <„ на прочность

соединения покрытия из стали 50ХФА со сталью 45 (рисунок 4). Видно, что при значениях J - 5,3,,,6,8 кА увеличение в исследованном интервале не позволяет получать равнопрочные с основным материалом соединения. Увеличение ./ при фиксированных значениях 1и приводит к интенсивному увеличению т соединения покрытия с основой. Причем соединения, полученные при 7 = 6,8 кА и г„ = 0,06,.. 0,08 с, равнопрочны основному металлу, так как в этом случае в зоне соединения выделяется достаточное количество теплоты для образования высокопрочного соединения покрытия с основой.

Металлографические исследования показали, что структура покрытия -мартенсит. Микроструктура в зоне термического влияния мартенситно-троститная. Микроструктура основного металла - феррито-перлитная.

При использовании в качестве промежуточного слоя аморфной ленты Стемет 1108 наибольшая микротвердость (Нсо,5 = 7640...8370 Н/мм2) наблюдается у края покрытия и вблизи зоны соединения. Величина осадки ленты после приварки составила 63... 122 мкм. При этом в зоне соединения имеет место промежуточный слой в виде белой прерывистой полосы шириной менее 5 мкм, образовавшийся в результате диффузии входящих в состав соединяемых материалов элементов. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) составляет 0,25...0,72 мм, микротвердость этой зоны Изо,5 = 6970...3220 Н/мм2 (рисунок 5).

При использовании в качестве промежуточного слоя аморфной ленты Стемет 1202 микротвердость покрытия Ноо,5 = 6960...7830 Н/мм2 (рисунок 5). Величина осадки ленты составляет 115... 140 мкм. Глубина ЗТВ составляет 0,35.,.0,8 мм, микротвердость этой зоны Нас,5 = 6290...3010 Н/мм1. Зона соединения - менее 5 мкм. Микротвердость основного металла за областью ЗТВ Ноо.з = 3100... 2800 Н/мм2.

При использовании в качестве промежуточного слоя аморфной ленты Стемет 1301 микротвердость покрытия Ноо,5= 7170...7740 Н/мм2 (рисунок 5). В зоне соединения имеет место переходный слой шириной 10.,,0,5 мкм. Глубина ЗТВ « 0,16...0,53 мм, микротвердость Нао,5 = 6010...3290 Н/мм2. Микротвердость основного металла за ЗТВ Нш,5= 2400...2100 Н/мм2. Величина осадки ленты в этом случае составляет 80... 130 мкм.

При использовании в качестве промежуточного слоя аморфной ленты Стемет 1311 микротвердость покрытия Ноо,з = 7100... 7850 Н/мм2 (рисунок 5). Величина осадки ленты составляет 120... 145 мкм. Глубина ЗТВ составляет 0,35...0,85 мм, микротвердостьэтой зоны Нею,5 = 6440...4090Н/мм2 Зона соединения менее 5 мкм. Микротвердость основного металла за областью ЗТВ Ноо,5 =2400... 2200 Н/мм2

Аналогично проводили замеры микротвердости в покрытии, полученном в два слоя из ленты 12Х18Н10Т на основе из стали 20 и чугуна СЧ 15 с использованием промежуточного слоя из Стемет 1311 и без него при электроконтактной приварки ленты, обработанной газодинамическим напылением (таблица 2).

Рисунок 3 - Влияние усилия Р на прочность соединения «покрытия из стали 50ХФА - сталь 45» при ЭКП через аморфную ленту Стемет 1311

т.МПа У=5,ЗкА : 5,8кА

450

Рисунок 4 - Зависимость прочности т соединения «сталь 45 - покрытие из стали 50ХФА» от силы тока и длительности его протекания при ЭКП через аморфные ленты Стемет: х - 1311, Д- 1301,0 - 1202, □ - 1108

Основа :

0,02 0,04 0,06 0.08 0,1 0,15 0,2 о,И 0,3 0,33 0,4 0,43 0.5 0.33 0,6 0.63 0.7 0.75 18 0,83 019 0193 1 1,03 1,1 1.15 1.2 1,23 и 1.33 1,4 1.43 и 1.55

Расстояние от поверхности, мм

Рисунок 5 - Микротвердость зоны соединения «покрытие из стали 50ХФА - сталь 45» через промежуточный слой из аморфной ленты: 0 - Стемет 1202; □ - Стемет 1108; о - Стемет 1311; Д - Стемет1301

Таблица 2 - Микротвердость двухслойного покрытия из стали 12Х18Н10Т

Материал основы Промежуточный слой Микротвердость, Н/мм"

Внешний слой покрытия Внутренний слой покрытия Основа, зона термического влияния

Сталь 20 Стемет 1311 2920... 2630 2630... 2950 4420... 2640

Отсутствует 2800... 2480 2420...2690 3920...2610

Чугун СЧ 15 Стемет 1311 2950...2310 2510.. .2890 3850... 3160

Отсутствует 2790... 2750 2470...2710 4140... 3550

Из результатов микрорентгеноспектрального анализа установлено, что зона соединения покрытия с основой через Стемет 1202 представляет собой твердые растворы 81, Т1, Сг, Мп, 2л в железе и через Стемет 1301 - 81, Сг, Мп, № в железе соответственно. Максимальное количество основных элементов, таких как Т1 при использовании Стемет 1202 и № при использовании Стемет 1301 достигает 5 и 24 % соответственно. При этом аморфные ленты Стемет 1202 содержат 51,7 % Т1 и Стемет 1301 - 70,6% №. При этом зона взаимодействия элементов в рассмотренных случаях не превышает 100 мкм.

Испытания на ударную прочность образцов из стали 45 в исходном состоянии, образцов из стали 45 с покрытием из стали 50ХФА с использованием промежуточного слоя из Стемет 1311 и образцов из стали 45 с покрытием из стали 50ХФА без использования промежуточного слоя, полученных при оптимальных параметрах режима ЭКП, показали, что ударная вязкость КС образцов после ЭКП снижается приблизительно на 13,1 % -покрытие из стали 50ХФА без использования промежуточного слоя и на 11 % -с использованием промежуточного слоя из Стемет 1311.

Усталостные испытания показали, что циклическая прочность образцов с покрытием из стали 50ХФА, полученных ЭКП с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311, при оптимальных параметрах режима стк> = 185 МПа, что приблизительно на 6,0 % ниже циклической прочности образцов из стали 45 в исходном состоянии (он = 197 МПа).

Результаты испытаний на коррозионную стойкость представлены в таблице 3. Из представленных данных видно, что наименьшей скоростью коррозии обладают образцы, полученные ЭКП ленты 12Х18Н10Т с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311.

В целях повышения трибологических свойств покрытий, получаемых ЭКП ленты через аморфный ленточный промежуточный слой методом холодного газодинамического напыления напылялись порошки следующих марок: С-01-11; А-80-13; N3-00-02.

Износостойкость покрытий определяли на установке ИМ-01 с использованием плоских образцов и на машине ИИ 5018 по схеме ролик-колодка.

Таблица 3 - Результаты испытаний на коррозионную стойкость

Промежуточный слой Вес до испытания, г» и г Вес после испытания, т2, г Потеря массы, Ат, г Площадь шлифованной храни, 5, смг Удельная потеря массы Дм/Я Скорость коррозии, р, г/м:ч

Стемет 1202 16,86020 16,55060 0,3096 2,31 1340,25 0,93073

Стемет 1108 14,21840 13,89740 0,3210 2,07 1550,72 1,07689

Стемет 1311 22,60910 22,24600 0,3631 2,75 1320,36 0,9169

Установлено, что наименьшим износом обладали образцы, полученные напылением порошка марки N3-00-02, при этом такие показатели, как температура масла и коэффициент трения также были минимальными.

Усовершенствована сварочная головка (патент на изобретение № 2397051 и патент на полезную модель № 103772) за счет разработки механизма фиксации и смещения роликового электрода, что позволило улучшить качество восстанавливаемых и упрочняемых деталей. Предложен типовой технологический процесс восстановления деталей типа «вал» ЭКП металлической ленты через промежуточный слой из высокоактивных аморфных лент.

Апробация разработанной технологии и эксплуатационные испытания проводились на втулках уплотнительного устройства консольных и фунтовых насосов в ООО «Фирма Крот» (Москва); толкателях гомогенизаторов, насосов молока в ООО «АСТ-Колхоз Клинский» (Московская область); опорных шейках распределительных валов двигателя внутреннего сгорания - ЗМЗ, ВАЗ, Д-245, РАБА МАИ и других в ООО «Механика» (Москва); роторах дробилок спеков в ФГУП «Алексинский опытный механический завод» (Тульская область).

5. Расчет экономической эффективности от внедрения проектируемой технологии

Проведенный расчет экономической эффективности от внедрения разработанной технологии восстановления 1 дм2 детали типа «вал» показал, что себестоимость восстановленного 1 дм2 детали типа «вал» составляет 276,57 рублей. Срок окупаемости при программе восстановления 1000 дм2 поверхностей деталей составляет 2,52 года, при эффективности капиталовложений - 0,65.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены методики теоретического определения основных технологических параметров ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент: силы тока, времени импульса, давления роликовых электродов, расхода охлаждающей

жидкости. Определены коэффициенты перекрытия сварочных площадок по диаметру и коэффициенты перекрытия сварочных площадок между витками для прогнозирования качества ЭКП и назначения оптимальной частоты вращения детали и продольной подачи роликовых электродов в зависимости от режимов ЭКП и диаметра восстанавливаемой детали.

2. Предложен метод расчетной оценки основных технологических параметров ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент: мощности источника теплоты, определяемой в основном силой тока и длительностью импульса тока; усилия сжатия электродов и скорости охлаждения, позволяющей существенно снизить объем поисковых (экспериментальных) работ. Показано, что прочность соединения покрытия с основным металлом и глубина зоны термического влияния (ЗТВ), полученные расчетным путем, отличаются от значений, полученных экспериментально, не более чем на 4 %. Разработана компьютерная программа «Оптимальные режимы электроконтактной приварки металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент» для автоматизации работ, связанных с поиском оптимальных режимов.

3. Металлографические исследования, испытания на микротвердость и результаты микрорентгеноспектрального анализа показали, что соединения, полученные ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя из аморфных лент без их плавления при оптимальных параметрах режима, не имеют дефектов типа пор, трещин и несплошностей. В зоне соединения имеет место переходный слой в виде белой прерывистой полосы шириной менее 10 мкм, образовавшийся в результате диффузии входящих в состав соединяемых материалов элементов при нагреве и деформации объема соединяемых материалов. При этом зона соединения покрытия с основой через Стемет 1311 представляет собой твердые растворы №, Со, В, 81 в железе и через Стемет 1301 - М, Сг, В в железе соответственно. Отмечено, что зона взаимодействия этих элементов не превышает 100 мкм. Установлено, что покрытие имеет структуру мартенсита при микротвердости Нпо,5 = 6960...8370 Н/мм2, а ЗТВ при микротвердости Ноо,5= 7830...3220 Н/мм2 - структуру мартенсита вблизи зоны соединения и мартенситно-троститную структуру по мере удаления от нее. При этом глубина ЗТВ не превышает 0,8...0,85 мм. Установлено, что прочность соединения покрытия из стали 50ХФА со сталью 45 у образцов, полученных с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311 при оптимальных параметрах режима ЭКП, равна прочности основного металла, ударная вязкость КС приблизительно на 11,0 %, а усталостная прочность на 6,0 % ниже аналогичных характеристик стали 45 в исходном состоянии. Отмечено, что при испытаниях на ударную вязкость и усталостную прочность отслаивания покрытия не наблюдалось. Также установлено, что наибольшей стойкостью к коррозии обладают образцы, полученные ЭКП ленты 12Х18Н10Т с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311, и коррозионная стойкость зоны соединения хуже коррозионной стойкости одного из соединяемых металлов.

4. Исследовано влияние основных технологических параметров на качество получаемых соединений при ЭКП с использованием промежуточного слоя из аморфных лент Стемет 1108, Стемет 1202, Стемет 1301 и Стемет 1311 без их плавления. Установлено, что оптимальный режим ЭКП ленты толщиной 0,5 мм из стали 50ХФА к валам из стали 45 диаметром 50 мм с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент: Р = 1,5 кН, J- 6,8 к А, г„ = 0,06 с, ta = 0,08 с. Показано, что аморфная лента Стемет 1311 является оптимальным материалом для использования его в качестве промежуточного слоя, так как при одинаковой прочности соединения ширина образовавшегося переходного слоя в 2 - 3 раза, а глубина ЗТВ на 20...30% меньше аналогичных характеристик, полученных при использовании других исследованных аморфных лент.

5. Разработана методика повышения износостойкости привариваемых покрытий газодинамическим напылением металлических порошков. Испытания износостойкости покрытия из стали 50ХФА с нанесенным газодинамическим способом износостойкого слоя показали, что покрытия, полученные из порошка марки N3-00-02, обладают самыми высокими трибологическими характеристиками по сравнению с покрытиями, полученными с использованием порошка С-01-01 и А-80-13, а именно: температура масла, коэффициент трения, износ образцов минимальны.

6. Усовершенствована сварочная головка (патент на изобретение №2397051 и патент на полезную модель № 103772) за счет разработки механизма фиксации и смещения роликового электрода, что позволило улучшить качество восстанавливаемых и упрочняемых деталей.

7. Разработана технология восстановления цилиндрических деталей ЭКП металлической ленты с использованием промежуточного слоя из аморфной ленты Стемет 1311 без ее плавления, апробированная при восстановлении втулок уплотнительного устройства консольных и грунтовых насосов в ООО «Фирма Крот» (Москва); толкателей гомогенизаторов, насосов молока в ООО «АСТ-Колхоз Клинский» (Московская область); опорных шейках распределительных валов ДВС - ЗМЗ, ВАЗ, Д-245, РАБА МАИ и других в ООО «Механика» (Москва); роторов дробилок спеков в ФГУП «Алексинский опытный механический завод» (Тульская область). Отмечено, что ресурс восстановленных деталей находится на уровне новых.

8. Проведен расчет экономической эффективности от внедрения разработанной технологии восстановления опорных шеек распределительного вала КамАЗ. Расчет экономической эффективности показал, что себестоимость восстановленного 1 дм2 детали типа «вал» - 276,57 рублей. Срок окупаемости -2,52 года, при экономическом эффекте 751 242,71 рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах:

1. Серов, A.B. Усовершенствованная сварочная головка [Текст] / А. В. Серов // Сельский механизатор. - 2011. - № 6. - С. 6.

2. Серов, А. В. Методика определения параметров электроконтактной приварки компактных материалов через аморфную ленту [Текст] / П. И. Бурак, А. В. Серов // Международный научный журнал. - 2011, - Вып. 2. - С. 81 - 86. -ISSN 1728-7936.

3. Серов, A.B. Оптимизация процесса электроконтактной приварки металлической ленты через аморфный припой [Текст] / П. И. Бурак, А. В. Серов, Р. А. Латыпов // Технология машиностроения. - 2011. - Вып. 7. -С. 35-40. - ISSN 1562-322Х.

4. Серов, А. В. Износостойкость покрытий, полученных газодинамическим напылением [Текст] / П. И. Бурак, А. В. Серов, А. И. Каширин, А. В. Шкодкин // Ремонт, восстановление, модернизация. -2011. -№ 7. - С. 26-30. -ISSN1684-2561.

5. Серов, A.B. Оптимизация процесса электроконтактной приварки металлической и аморфной лент с использованием статистического моделирования [Текст] / П. И. Бурак, А. В. Серов // Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». - 2011. - Вып. 1 (46) : Агроинженерия. - С, 59-61. -ISSN 1728-7936.

6. Серов, А. В. Оптимизация процесса электроконтактной приварки металлической ленты через аморфный припой [Текст] / П. И. Бурак, А.В.Серов, P.A. Латыпов // Сварочное производство. - 2011, - Вып. 6. -С. 31-36.

7. Пат. 2397051 Российская Федерация, МПК В 23К 11/06, В 23К 11/10. Универсальное устройство для шовной и точечной электроконтактной сварки [Текст] / Бурак П. И., Серов А. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». - № 2009113402/02; заявл. 10.04.09; опубл. 20.08.10, Бюл. № 23. - 5 с. : ил.

8. Пат. 103772 Российская Федерация, МПК В 23К 11/06. Устройство для смещения сварочного электрода при электроконтактной наплавке [Текст] / Бурак П. И. Серов А. В, ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственной образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина. - №2010150160/02 ; заявл. 08.12.2010 ; опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. - 2 с.: ил.

9. Серов, А. В. Сварочные головки для электроконтактной сварки [Электронный ресурс] / сетевой науч.-метод, электрон, журн. / Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина. -Электрон, журн. / А. В. Серов. - М. : ФГОУ ВПО МГАУ, 2010. - № 14. - Режим доступа к журн. : http://agromagazine.msau.ru. - № гос. регистрации 0421000044X0023.

Подписано к печати 26.10.20)1 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в Издательском центре Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» 127550, Москва, Тимирязевская ул., 58 Телефон 8 (499) 976-02-64

Введение.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Электроконтактная приварка металлической ленты как способ восстановления и упрочнения деталей.

1.2. Особенности получения покрытий из металлических лент.

1.3. Электроконтактная приварка через промежуточные слои.

1.4. Выводы по главе.

2. Теоретические исследования электроконтактной приварки металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент.

2.1. Определение основных параметров процесса.

2.1.1. Определение величины сварочного тока.

2.1.2. Определение величины импульса тока.

2.1.3. Определение сварочного тока в граничных точках.

2.1.4. Определение усилия сжатия сварочных роликовых электродов.

2.1.5. Определение расхода охлаждающей жидкости.

2.2. Оптимизация процесса электроконтактной приварки с использованием статистического моделирования.

2.3. Разработка компьютерной программы по определению параметров проектируемого процесса.

2.4. Выводы по главе.

3. Методика экспериментальных исследований.

3.1. Оборудование для получения покрытий.

3.2. Материалы для проведения исследований.

3.3. Подготовка материалов.

3.4. Определение прочности соединения.

3.5. Металлографические исследования.

3.6. Измерение твердости и микротвердости.

3.7. Микрорентгеноспектральный анализ.

3.8. Определение коррозионной стойкости покрытия.

3.9. Определение усталостной прочности.

3.10. Определение ударной вязкости.

3.11. Определение износостойкости.

3.12. Определение износостойкости на установке ИМ-01.

3.13. Выводы по разделу.

4. Исследования особенностей электроконтактной приварки металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент.

4.1. Влияние параметров режима электроконтактной приварки на качество получаемого покрытия.

4.1.1. Влияние усилия сжатия роликовых электродов, силы тока и длительности его протекания на прочность.

4.1.2. Результаты металлографических исследований и микрорентгеноспектрального анализа.

4.1.3. Результаты испытаний на ударную вязкость и усталостную прочность.

4.1.4. Результаты испытаний на коррозионную стойкость.

4.1.5. Результаты исследования износостойкости.

4.2. Модернизация сварочной головки для электроконтактной приварки.

4.3. Разработка технологии восстановления деталей машин электроконтактной приваркой металлической ленты с использованием промежуточного слоя на основе высокоактивных аморфных лент.

4.4. Практическое апробирование проектируемой технологии.

4.5. Выводы по главе.

5. Расчет экономической эффективности от внедрения проектируемой технологии.

5.1. Выводы по главе.

На фоне развития научно-технического прогресса, связанного с созданием новой техники, особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов [1]. Их решение неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей и конструкций от коррозии и изнашивания, а также с необходимостью восстановления изношенных деталей. Восстановление изношенных деталей не только экономически целесообразно, но и жизненно необходимо, так как при этом максимально используются ранее произведенные детали, что позволяет экономить материалы и энергетические ресурсы, а также затраты труда. Экономическая целесообразность восстановления обусловлена тем, что около 45% деталей машин, поступающих в ремонт, изношены в допустимых пределах и могут быть использованы повторно без восстановления, а около половины деталей могут быть использованы после восстановления при себестоимости 15.30% цены новых деталей. Только 5.9% деталей не подлежат восстановлению [2-4].

В настоящее время разработаны различные методы восстановления деталей машин сельскохозяйственной техники, среди которых лидирующее положение занимают способы наплавки, предусматривающие расплавление основного и присадочного материалов. К таким способам наплавки относятся: ручная дуговая наплавка неплавящимися и покрытыми плавящимися электродами, наплавка под слоем флюса, дуговая наплавка в защитных газах, плазменная, вибродуговая, газовая и др. Эти способы позволяют значительно повысить производительность труда,, по лучить наплавленные слои с особыми свойствами. Вместе с тем применение этих способов в некоторых случаях затруднено вследствие значительного термического влияния на металл детали, окисления и выгорания легирующих элементов в основном и присадочном металлах, необходимости больших припусков на последующую механическую обработку, значительного расхода присадочного металла, необходимости значительных подготовительных операций, наличия газовыделения и интенсивного светового излучения.

Перспективным способом увеличения долговечности деталей машин и механизмов сельскохозяйственной техники при сравнительно незначительном термомеханическом воздействии является электроконтактная приварка (ЭКП) металлической ленты с использованием промежуточных слоев на основе высокоактивных аморфных лент.

Однако до настоящего времени практически не изучена возможность использования высокоактивных аморфных лент в качестве промежуточного слоя при ЭКП. В частности, в научно-технической литературе отсутствуют данные экспериментальных исследований технологических свойств приваренных металлических покрытий через высокоактивную аморфную ленту, определяющих процессы формирования покрытия и ответственных за его физико-механические свойства, влияние параметров режима процесса ЭКП на формирование покрытия из данных материалов и качество его соединения с основным металлом, а также данные о физико-механических свойствах такого покрытия.

В связи с этим для успешного использования металлических покрытий, полученных ЭКП металлической ленты с использованием промежуточных слоев из высокоактивных- аморфных лент в технологиях восстановления деталей машин и механизмов, необходимо провести комплекс исследований по выбору аморфных лент и их влиянию на качество соединения покрытия с деталью и свойства самого покрытия.

Целью работы является увеличение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электроконтактной приваркой металлической ленты с использованием промежуточных слоев на основе высокоактивных аморфных лент.

В работе изучено влияние основных технологических параметров ЭКП на формирование покрытия и соединение его с основой. Теоретически и экспериментально исследованы и установлены оптимальные режимы ЭКП металлической ленты с использованием промежуточных слоев на основе высокоактивных аморфных лент. С помощью статистического моделирования разработана расчетно-экспериментальная модель процесса ЭКП, позволяющая увязать рост прочности соединения покрытия с основным металлом, величиной деформации привариваемой ленты и зоной термического влияния. Для повышения стабильности качества получаемого покрытия при ЭКП предложены технические решения по модернизации сварочной головки установки для ЭКП «011-1-10» «Ремдеталь» (патент на изобретение № 2397051 и на полезную модель № 103772) и типовой технологический процесс восстановления цилиндрических деталей ЭКП металлической ленты с использованием промежуточных слоев на основе высокоактивных аморфных лент.

Внедрение разработанной технологии и эксплуатационные испытания восстановленных втулок уплотнительного устройства консольных и грунтовых насосов - проводились в ООО «Фирма Крот» (г. Москва), толкателей гомогенизатора и деталей шестеренных насосов в ООО «АСТ-Колхоз Клин-ский» (Московская обл.), опорных шеек распределительных валов двигателей внутреннего сгорания типа Д-245, РАБА МАЛ и др. - в ООО «Механика» (г. Москва); роторов дробилок спеков - в ФГУП «Алексинский опытный механический завод» (Тульская область).

Расчет экономической эффективности показал, что себестоимость воел становленного 1 дм детали типа «вал» - 276,57 рублей. Срок окупаемости -2,52 года, экономический эффект - 751 242,71 рублей/год.

Выводы и предложения.

1. Характеристики биметаллических покрытий, полученные электрокошактной приваркой на опытных деталях выпускаемого оборудования ФГУП «Алексинский опытный механический завод», отвечают требованиям предъявляемым к соответствующим металлическим покрытиям.

2. Данный технологический процесс рекомендуется для широкого внедрения в системе АПК и машиностроения.

Председатель комиссии Члены комиссии:

А.Г. Чепенко/

В.И. Александров/ /П.И. Бурак/

A.B. Серов/