автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Восстановление деталей сельскохозяйственной техники электрометаллизационными покрытиями из порошковых проволок на основе ферросплавов

_ Ч П п; ^ V; КИШИНЕВСКИЙ ОРДЕНА

ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ им. М. В. ФРУНЗЕ

На правах рукописи

КЛЕЙМАН Аркадий Шлемович

УДК 621.723:621.791

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛИЗАЦИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ИЗ ПОРОШКОВЫХ ПРОВОЛОК НА ОСНОВЕ ФЕРРОСПЛАВОВ

Специальность 05.20.03 — Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

■ / х

Кишинев — 1990

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов и детали машин» Кишиневского СХИ им. М. В. Фрунзе и Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А. Л. Борисова

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент В. К■ Андрейчук

Официальные оппоненты:

лауреат премии Совета Министров СССР, член-корр. АН БССР, доктор технических наук, профессор Я. Н. Дорожкин, доктор технических наук, профессор В. П. Суслов

Ведущее предприятие: НПО МОЛДСЕЛЬХОЗРЕМОНТ

Защита диссертации состоится ъ&П^елЯ 1990 года в часов на заседании специализированного совета Д. 120.14.02 Кишиневского ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственного института им. М. В. Фрунзе.

Адрес: 277049, г. Кишинев, ул. Грибова, 44, КСХИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КСХИ.

<у

Автореферат разослан « ' » Мй^Ью. 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

и.о. профессора Л. И. Дехтярь

Д'БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО'ТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года предусматривается дальнейшее техническое перевооружение сельскохозяйственного производства, осуществление мероприятий по совершенствованию и развитию ремонтной базы, повышению качества ремонта и технического обслуживания сельскохозяйственной техники.

Одним из важнейших направлений в решении поставленных задач является увеличение объема и номенклатуры восстановления . изношенных деталей, что позволяет уменьшить дефицит запасных ' частей, сократить простои сельскохозяйственных машин и оборудования, экономить металл, энергию и трудозатраты.

Для восстановления деталей сельскохозяйственной техники привлекаются различные методы, в том числе электродуговая металлизация. В настоящее время этот метод нашел применение для восстановления коленчатых и распределительных валов,головок блока цилиндров, поясков гильз автотракторных двигателей,тормозных барабанов тракторов, неподвижных соединений и других деталей.

В то же время невысокие физико-механические и эксплуатационные свойства получаемых покрытий сдерживают более широкое использование электродуговой металлизации в ремонтном производстве. Поэтов весьма актуальными являются исследования.направ-ленны е на разработку технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники с использованием новых материалов, и в первую очередь порошковых проволок. Применение порошковых' проволок обеспечивает широкие возможности варьирования составом получаемых пократий и получения их высоких физико-механических и эксплуатационных свойств.

Работа выполнялась по тематике Всесоюзной Комплексной программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по решению важнейших проблем восстановления изношенных деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин (номер Гос. регистрации 77024485), а также республиканской МССР межотрасле-

вой научно-технической проблемой 04, задание 0I.04.02H.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ, Научно обосновать, разработать и внедрить в ремонтное производство технологический процесс восстановления деталей сельскохозяйственной техники электродуговой металлизацией пороиковыми проволоками.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. I. Установлены закономерности влияния добавок алюминия, редкоземельных металлов и кальция на структуру и свойства электрометаллизационных покрытий кз порошковых Проволок на основе келеза, заклрчающиеся в существенном снижении окисленности, повышении физико-механических и эксплуатационных характеристик покрытий.

2. Установлена возмокшость получения покрытий с аморфно-кристаллической структурой при алектродуговой металлизации бор-содержащими порошковыми проволоками на основе келеза.

3. Разработана математическая модель упруго-пластического изгиба порошковой проволоки в токосъемицх направляющих элоктро-ыеталлизатора, позволяющая оптимизировать их форму в зависимости от механических свойств и размеров проволоки,геометрических параметров механизма подачи и распылительной головки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предложены составы порошковых проволок для восстановления деталей сельскохозяйственной техники элактродутовой металлизацией, обесточивающие высокие физико-мзханичоокие и аксплуатационныа свойства покрытий.

Разработаны технологические рекомендации по восстановлению деталой сельскохозяйственной техники порошков^.«: проволоками с шихтой на осиоею феррохрома с добавками алюминия и на оо-нобо форроборп с добавками редкоземельных металлов и кальция.

Предложены устройство для определения прочности сцепления покрытий с подяоакой (A.c. СССР У I293516), способ определения характеристик упругости материалов (A.c. СССР Р 1060982) и методика неразрушав-дзго контроля качества покрытий (A.c. СССР & 1425536).

Усовершенствована распылительная головка электродугового ыеталлизатора дли получения покрытий из порошковых проволок.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Разработанная технология одобрена на научно-техниЧэском совете НПО "Молдоельхозремонт" и принята к енедрению в Дубоссарском предприятии по ремонту и обслуживанию техники Госагропрома МССР с годовым экономическим эффектом 4,03

тыс. рублей. Годовой экономический эффект от внедрения технологии в АК-2808 г. Кишинева составил 25,56 тыс. рублей. '

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Подтверждается использованием современных приборов и оборудования, апробированных методик, применением методов математического планирования эксперимента и математической статистики, получением'адекватно описывающих исследуемые процессы моделей, имеющих 95% уровень доверительной вероятности и положительными результатами эксплуатационных испытаний восстановленных деталей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзном Совещании "Состояние и перспективы применения твердых наплавочных сплавов". Торез, 1985;

- Ш научно-технической конференции "Композиционные покрытия", Житомир, 1985;

- Региональной научно-технической конференции "Новые процессы упрейняющих газотермических покрытий в машиностроении",Житомир, 1987;

- Республиканской научно-производственной конференции "Повышение надежности и эффективности использования сельскохозяйственной техники при применении индустриальных технологий", Кишинев, 1987;

- П Всесоюзном совещании "Новые защитные и восстановительные электрометаллизационные покрытия", Львов, 1988;

- Всесоюзном совещании "Теория и практика газотермического нанесения покрытий", Севастополь, 1988;

- XI/ Всесоюзном совещании по жаростойким покрытиям.Одесса,

1989;

- Научно-технической конференции "Композиционные материалы в машиностроении". Тернополь, 1989;

- Научном семинаре кафедр "Ремонт машин", "Сопротивление материалов и детали машин", "Технология металлов" и Отраслевой лаборатории Кишиневского СХИ им. М.В.Фрунзе, 1989.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы (152 наименований)

и приложений, содержит 122 отраниц машинописного текста, 23 таблицы, 30 рисунков. В приложении включены результаты экспериментов, акты эксплуатационных испытаний и внедрения.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1) установленные закономерности влияния добавок алюминия, редкоземельных металлов и кальция на структуру, состав, газоао-держание, физико-механические и эксплуатационные овойства элек-тромэталлизационных покрытий иа порошковых проволок на основе ферросплавов.

2) математическую модель оптимизации формы токосъемник направляющих электродугового металлизатора и практическую реализацию разработки.

3) разработанные технологические рекомендации по восстановлению деталей сельскохозяйственной техники элентрометаллизаци-онными покрытиям^ из порошковых проволок на основе феррохрома и ферробора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" анализируются существующие методы восстановления деталей сельскохозяйственной техники, исследованию которых посвящены работы Е.Л.Воловина, В.Н.Казарцева, В.М.Кряжкова,ЕН.Пет-рова, А.В.Поляченко, А.И.Селиванова, И.Е.Ульмана и других исследователей, внесших значительный вклад в теорию и практику ремонтного производства. Обосновывается выбор метода электродуговой металлизации, целесообразность применения которого доказана в работах Е.В.Антошина, В.Е.Балащенко, Ю.С.Борисова, В.А.Вахалина, Н.Н.Дорожкина, Н.В.Катца, Л.Ф.Троицкого, В.И.Чер-ноиванова и других ученых.

Электродуговая металлизация один из перспективных методов восстановления изношенных деталей сельскохозяйственной техники, характеризующийся мальм термическим воздействием на напыляемую деталь, высокой производительностью и наименьшими, в сравнении с другими методами, затратами на единицу покрытия.

Из анализа современного состояния в области получения элек-трометаллизационных покрытий следует:

1) в настоящее время метод электродуговой металлизации не нашел широкого применения для восстановления деталей сель- » скохоэяйственной техники по причинам низкой прочности сцепления и износостойкости покрытий, обусловленных окислением напыляемого материала и выгоранием легирующих элементов;

2) одним из наиболее перспективных направлений совериенстт вования технологии является использование поропковых проволок на основе ферросплавов, обеспечивающих широкие возможности ва- , рьирования составом напыляемого материала и управлением структурой, физико-механическими и эксплуатационными свойствами элек-трометаллиза.ционных покрытий.

Оценка состояния вопроса позволила сформулировать следующие основные задачи исследований.

1. Изучить влияние состава шихты порошковой проволоки на основе ферросплавов и технологических параметров процесса металлизации на структуру, состав, физико-механические и эксплуатационные свойства электрометаллизацнонных покрытий.

2. Разработать технологические рекомендации по изготовлению порошковых проволок предложенных составов и их напылению методом электродуговой металлизации.

3. Провести производственную проверку, внедрить разработанные рекомендации в сельскохозяйственное ремонтное производство и дать их технико-экономическую оценку.

Во второй главе "Общая методика исследований" описаны методики и оборудование, применяемое для нанесения покрытий и исследования их свойств.

Для проведения исследований разработана и изготовлена автоматизированная установка электродуговой металлизации с использованием источника постоянного тока ТИМЕЗ-500. Для осуществления неразрушающего контроля качества покрытий установка была укомплектована системой на основе прибора акустической эмиссии АФ-15.

Внешний вид частиц - продуктов распыления порошковых проволок изучали на растровом микроскопе ^м-Т-20 фирмы ДЖ)Л (Япония).

Изучение микроструктуры покрытий проводили на поперечных' шлифах на металлографическом микроскопе "Неофот-30" (ГДР).Травление шлифов осуществлялось известными реактивами: кислым раст-

вором хлорного железа, горячим раствором пикрата натрия, реактивом Мурраками.

.' Фазовый состав покрытий изучали с помощью рентгеновского дифрактометра ДР0Н-2.0 в излучении железа и кобальта. Условия съемки: скорость вращения гониометра 2 град/мин, напряжение на трубке 24 кВ, сила тока 2 мА, щели 1:1:0,5.

Микрорентгеноспектральный анализ распределения элементов в покрытиях осуществляли на микроанализаторе КАМЕНА МС-46 (Франция) .

Содержание кислорода в покрытиях и частицах - продуктах распыления порошковых проволок, определяли на приборах H0-3I6 и ТО-436 фирмы ЛЕЮ (США) методом восстановительного плавления навески пробы в графитовом тигле в потоке газа-носителя путем регистрации поглощений инфракрасного излучения анализируемым газом.

Микротвердость покрытий определяли в соответствии с ГОСТ 9450-76 на ыикротвердомерах ГМГ-3 и фирмы ЛЕШ (США) при нагрузке на алмазную пирамиду 0,49 Н.

Плотность покрытий оценивали методом гидростатического взвешивания согласно ГОСТ 18898-73, а пористость - металлографическим методом на приборе ОМНИМЕГ (Англия).

Для изучения коэффициентов термического расширения в интервале температур 20-7.00. °С использовали кварцевый дилатометр ДКВ-4 конструкции ГЙО, При этом из покрытия вырезали стержневые образцы 50x4x2 мм.

Характеристики упругости шталлизационных покрытий определяли в соответствии с разработанным способом (A.c. СССР № 1060982), позволяющим в сравнении с известными повысить точность измерений.

Определение остаточных напряжений проводили по методике, разработанной в КСХИ им. М.В.Фрунзе, для чего использовали кольцевые образцы с нанесенными на наружную поверхность покрытиями. толщиной I ш. В процессе испытаний проводили последовательное удаление слоев с последующим построением деформационных кривых и определением напряжений по известным зависимостям.

Прочность сцепления покрытия с основой определяли на разрывной машине РМ-0,5 методом нормального отрыва конического

штифта и с использованием устройства по а.с. № I2986I6. После нанесения покрытий регистрировали сигналы акустической эмиссии, возникающие при остывании покрытия и в процессе отрыва штифтов. Затем определяли зависимость параметров сигналов акустической эмиссии от величины прочности сцепления. Полученные зависимости использовали в дальнейшем для оценки прочности сцепле-' ния покрытий без их разрушения.

Усталостную прочность исследовали на машине типа '¿УИ-сООО в соответствии с ГОСТ 25502-79 и ГОСТ 19533-74. Проводили испытания образцов с электрокеталлизационньгми покрытиями из порошковых проволок толщиной 0,3 мм и эталона из стали 45.

Износостойкость покрытий изучали в условиях трения с закрепленные абразивные частицы на машине Х4-Б и в условиях трения скольжения без смазки и со смазкой на универсальной машине K/iT-I. В процессе испытаний изменяли удельную нагрузку в диапазоне от 5,6 до 22,4 МПа при постоянной скорости скольжения. Для изменения температуры использовали хрсмель-алюмелевую термопару, а синхронную запись измеряемых величин.в процессе испытаний осуществляли самописцем КСП-4. Образцы взвешивали на аналитических весах типа ВЛР-200 второго класса, с точностью до 10"1 г.

В работе применяли методы теории планирования эксперимента ■ и математической статистики с использованием ЭВМ.

Эффективность разработанных технологических рекомендаций по восстановлению деталей сельскохозяйственной техники определяли в соответствии с "Методическими указаниями определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и. рационализаторских предложений".

В третьей главе "Влияние состава шихты порошковой проволок!",' на структуру и состав электрометаллизациснных покрытий" приводятся результаты исследований свойств продуктов распыления порошковых проЕолок, структуры, фазового состава и газссодержания получаемых покрытий.

В качестве материалов, составляющих основу шихты порошковых проволок применяли ферросплавы - углеродистый феррохром 5Х-850 (Сг - 73,2% С - 3,3^; s - 0,015$; Р - 0,01455; остальное - Fe) и ферробор 5В-22 (В - 22$; А1 - 0,015%;Ш - 0,015%;' С - 0,02%, остальное - i'e).

Использование указанных ферросплавов позволило формиро-

вать в напыленных покрытиях гетерогенную структуру, состоящую из пластичной металлической матрицы и включений упрочняющих карбидных и боридных фаз, обладающих высокой износостойкостью.'

Вместе с тем, использование сплавов на основе железа неизбежно связано о образованием при напылении оксидов, ухудшающих качество получаемых покрытий. Поэтому для снижения концентрации оксидов в шихту порошковых проволок дополнительно вводили компоненты, имеющие высокое сродство к кислороду, обладающие способностью восстанавливать оксиды.,

В качестве таких добавок .выбраны алюминий для порошковой проволоки на основе феррохрома и комплексная лигатура (АЩе) на основе редкоземельных металлов (РЗМ) для порошковой проволоки на основе ферробора. Кроме того введение алюминия и РЗМ в шихту порошковых проволок должно было обеспечить дополнительный разогрев напыляемых частиц в результате экзотермических реакций и повышения за счет этого прочности сцепления покрытий с основой.- Количество добавок ограничено - 6-7% для алюминия и для редкоземельных металлов. Из анализа использования этих добавок при напылении и наплавке следует, что превышение указанного количества добавок приводит к образованию в покрытиях хрупких интерметаллидов, резко ухудшающих эксплуатационные характеристики. Составы-исследованных порошковых проволок приведены в таблице I.

Таблица I

Химический состав порошковых проволок

Тип проволоки Содержание элементов, масс, доля, _

! Ре I аг ! О ! А1 ! В ¡Лигатура _! ! ! ! ! АКЦе **

Ре - Ог - О основа 24-27 2,6-3,5

Ре - Сг - С - А1 основа 19-22,5 2,0-2,8 6,3-6,9 -

Ре - в основа - н.б.0,06 - 4,4-4,8

Ре - В - РЗМ основа - н.6.0,06 - 4,4-4,8 6,5-6,9

34 Э, Р.Б! не более,0,03$; Мп - не более 0,26%;

** Состав лигатуры: РЗМ (Се.Рг, 1в) - 30?б; А1 - 25%;Са - 155«,

ОСТ-Н1.

Таблица

Содержание кислорода в продуктах распыления порошковых проволок и покрытиях

Тип проволоки | Содержание кислорода, масс.доля,' %

! частицы ! покрытие

Fe - Сг - С 11,7 4,2

Fe - Сг - С - Al 10,5 2,7

Fe - В ' 10,0 3,5

Fe-B-P3M 4,2 1,6

Исследованы внешний вид, газосодержание, гранулометрический и фазовый составы частиц - продуктов распыления порошковых проволок, уловленных из металловоздушной струи. Изучение их внешнего вида показало, что в отличие от исходной шихты,подавляющее большинство частиц имеет сферическую форму. Это сведетельст-•вует об их расплавлении и последующей сферондизацин на пути следования от металлизатора к основе. Дисперсность частиц колеблется в достаточно широких пределах от 20 до 300 мкм.

Установлено, что введение в шихту порошковых проволок алюминия и РЭМ приводит к существенному уменьшению содержания кислорода в продуктах распыления порошковых проволок (табл.2). •

Приведенные результаты согласуются с данными фазового анализа продуктов распыления, показавшего уменьшение интенсивности линий Feo и Fe-jO^ (примерно в 2 раза) при сведении в исходную шихту алюминия, РЗМ и кальция.

Изучение структуры электрометаллизацконных покрытий Fs-Cr-C и Fe-Cr-C-Al в нетравленном состоянии показало, что введение алюминия приводит не только к снижению содержания оксидной фазы, но и формированию более плотной и мелкодисперсной структуры. Основные структурные составляющие покрытий были идентифицированы в результате сопоставления данных металлографического, микродюрометрического, рентгеноструктурного и микрорентге-носпектрального анализа. Было установлено, что матричной фазой покрытия являются твердые растворы переменного состава хрома? или хрома с алюминием в оС - либо f - железе. В покрытии из феррохрома преобладает / - фаза, а в покрытии из феррохрома-

люминия, сА - фаза. При травлении-кислым раствором хлорного железа матричная фаза в зависимости от состава приобретает окраску от светлобурой до темнокоричневой. При этом в зависимости от условий охлаждения при кристаллизации напыляемых частиц, они имеют либо гладкую, либо игольчатую структуру, характерную для закалки. Микротвердость матричной фазы изменяется в пределах 2600-4000 МПа. В структуре покрытий четко выделяется карбидная фаза в виде светлых блестящих частиц продолговатой или осколочной формы. Карбидная фаза имеет переменный состав, ее микротвердость изменяется в диапазоне 10000-13000 МПа. Согласно результатам микрорентгеноспектральных исследований здесь наиболее вероятны карбиды двух типов: на основе карбида хрома СГ7С3, содержащий 10-12% Ре (более твердый) и на основе 01"23с6 (более мягкий), содержащий до 20% Ре. Кроме того мелкодисперсные карбиды располагаются и внутри зерен, имеющих структуру эвтектического типа. Оксиды в виде тонких прослоек располагаются преимущественно на границах, а виде мелких сферических включений внутри металлических частиц. Содержание кислорода в покрытиях, полученных из проволок, содержащих алюминий, уменьшилось в 1,6 раза (табл. 2).

Изучение структуры электрометаллизационных покрытий на основе ферробора в нетравленном состоянии позволило выделить основную металлическую фазу белого цвета, оксидные прослойки серого цвета и включения темносерого цвета различной формы, имеющие более высокую твердость, чем основная металлическая фаза. При' этом покрытия с добавкой РЭМ и кальция отличаются более высокой плотностью и содержат значительно меньше оксидов по сравнению с покрытиями из чистого ферробора. Травление покрытий в растворе пикрата натрия, с последующим измерением микротвердости и исследованием методом микрорентгеноспектрального анализа позволило выявить следующие структурные составляющие. В покрытиях обоего типа нетравящаяся в данном растворе металлическая фаза - это твердый раствор бора в ¿А - железе с содержанием бора 0,15% и менее и микротвердостью от 2000 до 3000 МПа. Боросодержащая фаза имеет переменный состав и окрашена в зависимости от' содержания бора в серый, коричневый и бледно-коричневый цвет с голубыми вкраплениями. В покрытии встречаются участки доэвтектического, эвтектического и заэвтектического

составов. Зерна с микротвердостью до 5000 МПа содержат до 5%, В, что соответствуют смеси Ы-- твердого раствора и эвтектики о(.-Рв + Ре2в, а с микротвердостью свыше 10000 МПа до 10$, причем в них встречаются хрупкие, твердые включения Рев с микротвердостью свыше 14000 МПа. Результаты рентгеновского анализа указывают также на частичную аморфизацию покрытия (наблюдается диффузное галло в диапазоне углов ■©• = 22-33°), причем степень аморфизации при добавлении РЗМ и кальция достигает 20%.Помимо указанных структурных составляющих в покрытиях содержатся оксиды: в случае ферробора - это оксиды железа, а в случае ферро-бора с РЗМ и Са помимо оксидов железа (которых значительно меньше, чем в первом случае) встречается в незначительном количестве оксиды алюминия и церия. По данным анализа, содержание кислорода (табл.2) в покрытиях с РЗМ и Са уменьшилось более, чем в 2 раза.

В четвертой главе "Влияние состава пихты порошковой проволоки и условий напыления на физико-механические свойства электрометаллизационных покрытий" приводятся результаты исследований плотности, пористости, характеристик упругости и коэффициентов термического расширения покрытий, распределения остаточных напряжений по их толщине, влияния покрытий на усталостную прочность стали.

Результаты исследований (табл. 3) показывают, что добавки алюминия в шихту порошковой проволоки на основе феррохрома, РЗМ и кальция в шихту на основе ферробора обуславливают снижение пористости покрытий соответственно в 1,8 и 2,0 раза.

В соответствии с задачами исследований изучали влияние условий электродуговой металлизации на плотность покрытий с последующей оптимизацией технологических режимов. В качестве входных параметров были отобраны: - напряжение дуги, 28-40 -давление Еоздуха, 0,5-0,7 МПа; Хд - скорость подачи проволоки, 1,5-2,5 м/мин; Х^ - дистанция напыления, 70-120 км; Х^ - толщина покрытия, 0,2-0,6 мм; Х^ - содержанке бора, 3,2-5,0$. Были реализованы планы пяти- и иестифакторных экспериментов и

26-3.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость плотнос-

Таблица 3

Эизико-механические свойства электрометаллизационных покрытий из порошковых проволок

Тип проволоки ' Плот-1 1 • ность ! о ! 1 Р'Ю , ! кг/м3 ! Пористость п, % 'Модуль1КТР !упру- Ь т06 , гости ,с('ш ' ,Е. | °С ! Ю_4МПа • Прочность 'сцепления с ,основой , б" сц,МПа 1

Ре-Сг-С 5,81+0,28 7+1,8 7,2 10,8 18,0+1,6

ре_Сг_С_А1 6,26+0,24 4+0,7 7,8 10,9 20,4+1,4

Ре-В 6,80+0,18 6+1,2 8,4)' 11,3 23,5+1,5

Рв-В-РЗМ 7,21+0,21 3+0,6 8,4 11,3 26,5+1,4

ти покрытий Ре-Ог-С-А1СГ Л) И Ре -В-РЗМ (1С 2 ) от технологичес

ких параметров процесса:

У1-Ю~3= 5,93 + 0,38х2 + 0,20х3 - 0,20х4 (кг/м3) (I)

УЮ-3 = 6,77+0,30хт + 0,30х2+0,12х3 - 0,13х4 + 0,17хб (кг/м3)

(2)

Установлено, что в выбранных диапазонах изменения входных параметров, увеличение плотности покрытий возможно при увеличении давления воздуха, скорости подачи проволоки, уменьшении дистанции напыления, а для проволоки с шихтой на основе ферро-бора - при увеличении напряжения и содержания бора.

Проведенные исследования показали, что нагрев и охлаждение электрометаллизационных покрытий сопровождается усадкой,не превышающей 0,15%. Значения коэффициентов термического расширения (КТР) (табл.3) близки к таковым для стали и чугуна, что позволяет наносить покрытия непосредственно на основу без промежуточного слоя и предполагает высокую прочность сцепления. В то же время, добавки алйминия и РЗМ не оказывают существенного влияния на величину КТР.

Исследования остаточных напряжений в электрометаллизационных покрытиях показало, что во всех изученных материалах в наружных слоях действуют растягивающие остаточные напряжения,которые при толщине покрытия около 0,5 мм переходят в напряжения сжатия.

В покрытиях, полученных из порошковых проволок Fe-Cr-С, максимальные значения сжимающих напряжений составляют 115 МПа, а растягивающих 180 МПа. Добавление алюминия в состав пихты приводит к снижению как сжимающих на границе основа-покрктке (100 МПа), так и растягивающих на поверхности (150 МПа). При электродугом напылении порошковых проволок Fe-з указанные напряжения составляют соответственно 80 и 190 МПа, а с добавками РЗМ и кальция 115 и 170 МПа.

Результаты усталостных испытаний показывают, что элект-рометаллизационные покрытия снижают условный предел выносливости стали 45 на 6-16$. Наименьшее снижение установлено для стали 45 с покрытием Ре-В-РЗМ. Это сгдзано, по-видимому, с лучки-ми прочностными характеристиками указанных покрытий и высокой пластичностью, обусловленной формированием аморфно-кристаллической структуры.

В пятой главе "Влияние состава шихты порошковой проволоки и условий напыления на прочность сцепления и износостойкость покрытий" приведены результаты исследований » важнейших характеристик покрытий, определяющих возможность их использования для восстановления деталей сельскохозяйственной техники.

Добавки алюминия в шихту порошковой проволоки на основе феррохрома, РЗМ и кальция в шихту на основе ферробора ' приводят к повышению прочности сцепления элеятрошталлкзационных покрытий, соответственно на 14 и 12%. Основным фактором,определяющим повышение прочности сцепления является снижение содержания оксидов в электроыеталлизационных покрытиях.

В работе получены уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимость прочности сцепления покрытий Fe-Cr-C-Al (Y^) и Fe-B-РЗМ (У4) от технологических параметров процесса (см. главу 3):

Y3=I7,25-I,73xI+3,35x2+3,I0x3-2,35x4+4,2Ix5 (МПа) (3)

Y4=24153-I,62xI+I,80x2+2,25x3-2,47x4+2,39x5+I,8Ixs (МПа) (4)

Установлено, что в выбранных диапазонах изменения входных параметров, увеличение прочности сцепления от 9 до 33 МПа (?в-Cr-C-AI) и от 16 до 32 МПа (Ре-В-РЗМ) возможно при уменьшении

л Мг

А, 77

60

20

я

Р и с Л. Износ электроичтал-лизационных покрытий в иаре со сталью 45 без смазки (I-5) и со смазкой (6):Св-08Г2С (1),Ре-0г-а (2) гв-Сг-ОА1 (3), Р е-В (4), Уе-В-РЗМ (5-6)

напряжения (Х^) и дистанции напыления (Х^), увеличении давления воздуха (Х^), скорости подачи проволоки (Хд), толщины покрытия (Х^) и содержания бора-в проволоке ^Ь

В работе получены зависимости параметров сигналов акустической эмиссии, возникающих при остывании покрытий, от прочности их сцепления с основой. Использование зависимостей позволяет методом акустической эмиссии производить выбраковку восстановленных деталей в том случае, если не будет достигнута минимально допустимая прочность сцепления покрытий с основой.

Изучение эксплуатационных свойств электрометаллизационных покрытий в условиях трения о закрепленные абразивные частицы, показало, что износостойкость рассматриваемых покрытий выше,чем эталона - стали 45. Наибольшую стойкость к абразивному износу имеют покрытия из порошковых проволок Ре-В-РЗМ, которая выше стойкости покрытий ?е-Сг-С-А1 и эталона соответственно в 1,6 и 1,4 раза.

Результаты испытаний электрометаллизационных покрытий в паре со сталью 45 в условиях трения скольжения представлены на рисунке I.

Их анализ показывает, что износостойкость покрытий Ре-Сг-С и Ре-В выше в сравнении с покрытиями, полученными из широко используемой при металлизации проволокой Св-08Г2С соответственно в 1,6 и 2,6 раза. Легирующие добавки алюминия в шихту на основе феррохрома, а также РЗМ и кальция в шихту на основе фер-робора способствуют повышению износостойкости покрытий соответственно в 1,2 и 1,4 раза. Минимальные значения коэффициентов тре-

ния покрытий Рв-В-РЗМ в условиях трения скольжения без смазки и со смазкой составляют соответственно 0,14 и 0,08.

Проведены так же исследования износостойкости в паре с ас-бофрикционнш материалом. Установлено, что износ электрометал-лизационного покрытия 1\>-и-РЗМ в 1,8 раза меньше износа стали 45. В то же время, износ асбофрикционного материала в паре с покрытием в 1,2 раза меньше, чем со сталью 45.

В шестой главе "Технологические рекомендации по применению порошковых проволок для электродуговой металлизации" представлены математическая модель оптимизации конструкций токосъешшх направляющих металлизатора и полученные с помощью ЭВМ практические результаты ее \юализации, а также рекомендации по изготовлению и напылению порошковых проволок предложенных составов.

Для получения электрометаллизационных покрытий высокого качества необходимо обеспечить стабильную токопередачу от направляющих к проволокам. Это достигается при равномерном прижиме Проволок к направляющим, а получение оптимальной формы последних возможно лишь при учете большого числа факторов: физико-механических свойств материала проволоки и ее размеров (модуля Юнга, предела текучести, диаметра), а также геометрических параметров механизма подачи и распылительной головки (угла схождения проволок, расстояния между подающими роликами.вылета направляющих) .

Р и с. 2. Расчетная схема к математической модели оптимизации токосъемных направляющих металлиэатора

I

А-А

Таблица 4

Значения коэффициентов в уравнении кривой

! Коэффициенты Материал проволоки I_

I А I В I С

Св-06 3,18 1,33 3,66

65Г 4,67 2,34 3,10

Порошковая проволока 13,74 3,90 7,26

Действие направляющей на проволоку заменено эквивалентной нагрузкой д(х). Это позволило рассмотреть проволоку как изогнутую консольную балку и решив упруго-пластическую задачу при условии постоянства q(x) (соответствует равномерному прижиму проволоки), получить численными методами уравнение кривой, описывающее оптимальную форму направляющей.

Применительно к механизму подаЧи электрометаллизатора ЭМ-15 уравнения имеют вид:

У = Ах4 - Вх3 + Сх2 - 0,045, (5)

где А,В,С - коэффициенты, выбираемые в зависимости от материала проволоки (табл.4).

Полученные результаты позволили усовершенствовать распылительную головку электродугового металлизатора и улучшить стабильность процесса.

Разработанные рекомендации включают в себя следующие основные ■ элементы.

1. Изготовление проволоки (применяемые материалы - углеродистый феррохром ФХ-850, порошок алюминиевый ИАД,ферробор ФВ-22, лигатура АКЦе; дисперсность шихты 40-200 мкм, коэффициент заполнения проволоки - 0,35, толщина ленты - 0,3 мм, ширина ленты 8,5 мм).

2. Электродуговое напыление (напряжение дуги 28-30 В, сила тока 130-140 А, давление воздуха 0,68-0,72 Ша, скорость подачи проволоки 2,5-2,8 м/мин, дистанция напыления 70-90 мм).

3. Неразрушающий акустоэмиссионный контроль качества элект-рометаллизационных покрытий (время затухания сигналов акустической эмиссии при остывании покрытий - не более 50 с).

В седьмой главе "Производственная проверка и технико-экономическая оценка технологического процесса восстановления деталей сельскохозяйственной техники электрометал-лизационньши покрытиями из Горшковых проволок" приводятся результаты внедрения, эксплуатационных испытаний и эффективности разработанной технологии.

В качестве объектов внедрения были выбраны шкивы остановочных тормозов трактора ДТ-75, пироко используемого в агропромышленном комплексе нашей страны. Анализ ремонтного фонда показал, что около 66% шкивов остановочных тормозов трактора ДТ-75, поступающих в ремонт, подлежат восстановлению, так как износ их рабочих поверхностей превышает предельно допустимый для этих деталей.

Для производственной проверки были отобраны по четыре тормозных шкива остановочных тормозов: а) восстановленные по -разработанной технологии с применением порошковой проволоки (Ра --В-РЗМ), б) новые из стали 45. Шкивы устанавливались на задний мост трактора ДТ-75 таким образом, чтобы один был новый,, а другой - восстановленный. База испытаний составила 1,4 тыс.' часа.

Полученные данные показали, что износ рабочих поверхностей тормозных шкивов тракторов ДТ-75, восстановленных по разработанной технологии в 1,8 раза меньше, чем у новых и в 1,4 раза меньше, чем у восстановленных по технологии НПО "Молдсельхоз-ргмонт" (электродуговая металлизация проволокой СВ-08Г2С с подачей в зону горения электрической дуги смеси порошков ПТ-НА-01 и чугунной стружки).

Технология восстановления торм'озшх шкивов трактора ДТ-75 принята к внедрению в Дубоссарском предприятии по ремонту и обслуживанию техники Госагропрома МССР с ожидаемым годовым экономическим эффектом 4,03 тыс.руб при программе восстановления 2200 шкивов. Годовой экономический эффект при внедрении в АК--2808 г.Кишинева технологии восстановления тормозных барабанов автобусов "Икарус" составил 25,56 тыс. рублей.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

I. Обоснована и экспериментально доказана эффективность применения порошковых проволок с шихтой на основе феррохрома и фер-

робора для восстановления изношенных деталей сельскохозяйственной техники методом электродуговой металлизации.

2. Показано, что покрытия, получаемые из порошковых проволок имеют гетерогенную структуру. В покрытиях Fe-cr-0 и Fe-Cr-С-А1 матричной фазой являются твердые растворы переменного состава хрома или хрома с алюминием в с*.-, либо / - железе (Нц=3000+Ю00 МПа), а упрочняющей фазой - карбиды на основе Cr7Cj и Сг23с6 (Hjh = 12500 + 1500 МПа). В покрытиях Fe-B и Fe -Ь-РЗМ матричная фаза -твердые растворы на основе ос-железа (Н л = 2500+500 Ша), а упрочняющая фаза бориды железа FeB и Fq2B (Н* = 13000+2000 МПа).

Установлена возможность получения покрытий с аморфно-кристаллической структурой при электродуговой металлизации борсо-держащими порошковыми проволоками на основе железа. Доля аморфной фазы при наличии в шихте РЗМ и кальция достигает 20%.

3. Установлено, что основным фактором, определяющим существенное улучшение структуры и свойств покрытий, является подавление процесса окисления напыляемого материала. Добавки алюминия в шихту порошковой проволоки на основе феррохрома, редкоземельных металлов и кальция в шихту На основе ферробора обеспечивают снижение содержания кислорода в покрытиях соответственно в 1,6 и 2,2 раза, уменьшено пористости в 1,7 и 2,0 раза, снижение растягивающих остаточных напряжений в наружных слоях покрытий со 180 до 150 и со 190 до 170 МПа, повышение прочности сцепления на 14 и 12%.

4. Показано, что износостойкость электрометаллиэационных покрытий из порошковых проволок в условиях трения о закрепленные абразивные частицы выше, чем стали 45 (НАС 46-52). Наибольшую стойкость к абразивному износу имеют покрытия Fa-B-РЗМ, превышающую стойкость эталона в 1,6 раза. В условиях трения скольжения без смазки износ покрытий из порошковых проволок Ге-В-РЗМ

в 3,6 раза меньше, чем электрометаллиэационных покрытий из проволоки Св-08Г2С.

5. Разработана математическая модель упруго-пластического изгиба порошковой проволоки в токосъемных направляющих метал-лизатора, позволившая оптимизировать их форму в зависимости от механических свойств и размеров проволоки, геометрических паро-

метров механизма подачи и распылительной головки.Полученные результаты позволили усовершенствовать распылительную головку электродугового металлизатора.

6. Разработаны технологические рекомендации, включающие изготовление порошковых проволок (Ре-Ог-0-А1) и (Зе-В-РЗМ), их элоктродуговое напыление на оптимальных режимах (напряжение дуга 28-20 В, сила тока 130-140 А, давление воздуха 0,680,72 Ша, скорость подачи проволоки 2,5-2,8 м/мин,дистанция напыления 70-90 мы), неразрушающий контроль прочности сцепления элактрометаллизационных покрытий с основой (время затухания сигналов акустической эмиссии при остывании покрытия - не более 60 секунд).

7. Установлено, что износостойкость тормозных шкивов трактора ДТ-75, восстановленных электрометаллиэационными покрытиями из порошковой проволоки (Ре-В-РЗЮ, в 1,8 раза выше, чем новых и а 1,4 раза выше, чем восстановленных металлизацией проволокой Св-С9Г2Сс подачей в зону горения электрической дуги смеси порошков (ПТ-НА-01 + чугунная стружка).

8. Тэхнологический процесс восстановления тормозных шкивов 1 трактора ДТ-75 принят к внедрению в Дубоссарском предприятии по рзмонту и обслуживанию техники Госагропрома МССР с ожидаемм экономическим эффектом 4,03 тыс. рублей при программа ремонта 2200 пкивоэ. Годовая зкснскнческая эффективность при внедрении результатов работы в АК-2803 г.Кчсикева для восстановления тормозни:; барабаноз автобуса "Икарус" составила 25,56 тыс.рублей.

Основное содержание диссертация опубликовано в работах:

1. Новые методы контроля и оценки остаточных напряжений, характеристик упругости, термостойкости и остаточного ресурса изделий с наплавочными и нашленньши покрытиями // Тезисы докладов научно-технического совещания "Состояние и перспективы производства и применения наплавочных твердых сплавов. - Торез, 1985. - С.35-36 (соавторы: Л.И.Дзхтярь, С.Х.Еэрман.В.Е.Вайнберг, В.К.Андрейчук). •

2. Технология упрочнения и воостановления деталей сельскохозяйственной техники электродуговой металлизацией порошковой

проволокой // Тезисы докладов ХУ1 Зональной конференция сварщиков Урала. - Свердловск, 1966. - С.77-78 (соавторы¡Ю.С.Борисов,

B.К.Андрейчук, Л.И.Дехтярь).

3. Методика получения равнотолщинных газотермических Покрытий // Интенсификация процессов и повышение качества восстановления деталей (Межвузовский сборник научных статей). - Кишинев, 1987. - С.67-70 (соавторы: Ю.С.Борисов, С.Х.Берман).

4. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники электродуговой металлизацией порошковыми проволоками // Тезисы докладов Республиканской научно-производственной конференции "Повышение надежности и эффективности использования сельскохозяйственной техники при применении индустриальных технологий. -Кишинев, 1967. - С.92-93 (соавт: В.К.Андрейчук).

5. Напряженное состояние и усталостная Прочность деталей машин с электрометаллизационными покрытиями // Тезисы докладов научно-технического совещания "Композиционные Материалы в машиностроении. - Тернополь, 1989.- С.66-68 (соавторы: А.Я.Борисова, А.И.Муравьев, В.Н.Коржик).

6. A.c. СССР № 1060982. МКИ а 01 N3/22. Способ определения модуля нормальной упругости и модуля сдвига материала (соавторы: Л.И.Дехтярь, Л.Г.Штейнберг). Опубликовано 15.12.1983. -Бюл. № 46.

7. A.c. СССР № I2986I6. МКИ О 01 N19/04. Устройство для определения прочности сцепления покрытий с подложкой (соавторы: В.К.Андрейчук, Ю.С.Борисов, Л.И.Дехтярь, С.Х.Берман,Д.Ю.Терехов, В.В.Грединар). (публиковано 23.03.87. - Бюл. № II.

8. A.c. СССР Ji 1425536. МКИ о 01 N29/04. Способ неразру-шающего контроля покрытий (соавторы: Д.Ю.Терехов, В.Е.Вайнберг,

C.Х.Берман, В.К.Андрейчук, В.В.Градинар). Опубликовано 29.09. 88. - Бюл. № 35.

9. Положительное решение от 31.08.1989 по заявке № 4487181/ 28 от 26.09.1988. Способ акустоэмиссионного контроля качества покрытий (соавторы: В.Е.Вайнберг, С.Х.Берман, Ю.С.Борисов).