Підвищення довговічності довгомірних деталей шляхом нанесення покриттів - Автореферат

Для забезпечення необхідних споживчих властивостей штоків, валів, валів-шестерень та інших деталей і стабільної роботи машин і обладнання потрібно забезпечити отримання в процесі їх відновлення методом нанесення покриттів високої якості робочих поверхонь і необхідних показників механічних та експлуатаційних властивостей. Це можливо шляхом вибору ефективних технологій і параметрів відновлення, які б не впливали на зміну лінійних розмірів деталей при обробці і забезпечували необхідні умови для роботи спряження. До числа таких технологічних процесів відновлення відносяться методи з використанням висококонцентрованих джерел енергії - лазерна, плазмова, електронно-променева та електроіскрова обробки (ЕІО), які не призводять до структурних і фізико-механічних змін у підложці і забезпечують отримання необхідної товщини шару покриття. Крім цього, відсутня інформація про ефективний матеріал для нанесення покриттів довгомірних деталей та можливості виготовлення з нього електродів, оптимальні параметри обробки, їх вплив на суцільність шару, міцність зчеплення з основою, яка має залежати від попередньої підготовки поверхні деталі, особливо якщо вона була піддана хіміко-термічній обробці при виготовленні. вдосконалити вузли обладнання для забезпечення надійної роботи устаткування при нанесенні якісного і однорідного за структурою, хімічним складом і властивостями покриття та обґрунтувати параметри промислового відновлення деталей, що відрізняються умовами експлуатації і матеріалом.У даному розділі узагальнені дані про матеріали, що застосовуються для нанесення покриттів на деталі в залежності від технологічних процесів їх виробництва і умов експлуатації. Проаналізовані особливості і переваги структуроутворення при кристалізації в процесі ЕІО та фізична сутність цього процесу, що в сукупності з підходом до вибору параметрів обробки і матеріалів для нанесення покриттів забезпечує високу довговічність висококоштовних деталей. Критерієм оцінки ефективності метода ЕІО деталей були товщина, суцільність нанесеного шару і його якість, яку оцінювали по: твердості поверхневого шару; характеру структури, що сформувалася при нанесенні покриття; міцністю зчеплення покриття з основою і результатам випробувань на зносостійкість, жаростійкість, корозійну стійкість. Параметри обробки при нанесенні покриттів методом ЕІО регулювали в широких межах: швидкість обертання деталі 1-250об/хв; переміщення супорту S=0,5-3,0мм/об; частота вібрації електрода відповідала 50 та 100Гц; число проходів електрода змінювали в межах n=1-8. Продуктивність процесу обробки (площа обробленої поверхні за одиницю часу при одному проході електродом) N визначали за залежністю: , (5) де d - діаметр одиничної лунки, мм; k - коефіцієнт суцільності покриття по перерізу деталі; k1 - - коефіцієнт суцільності покриття по довжині деталі.Аналіз існуючих методів, які використовуються для нанесення компенсуючих знос покриттів показав, що найбільш ефективними є способи з використанням висококонцентрованих джерел енергії, які не призводять до структурних змін в серцевині деталі і не погіршують їх втомну міцність. Найбільш доступним є метод електроіскрової обробки, який забезпечує можливість локального нанесення покриття, проведення обробки з різними параметрами для кожного електроду, отримання однорідної структури з заданими властивостями при кристалізації і може бути використаний без великих матеріальних затрат на різних ремонтних підприємствах. Вони включають вимоги до хімічного складу матеріалу анода, регулювання товщини покриття, його фазового складу і структури, суцільності нанесеного шару, міцності зчеплення, рівня твердості і шорсткості. Встановлено, що найбільш ефективними матеріалами анода є матеріали, леговані хромом (10Х13, 30Х13, 10Х18Н10Т, ферохром), які забезпечують необхідну довговічність відновлюваних деталей за рахунок міцності зчеплення покриття з основою (не нижче міцності матеріалу основи), коефіцієнта суцільності нанесеного шару (не нижче 97%), формування структур з високою твердістю (не менше Н-50-550-570), зносостійкістю, жароміцністю. Поверхневе пластичне деформування покриття, нанесеного методом ЕІО, з одного боку підвищує суцільність покриття і зменшує його шорсткість, а з другого боку створює стискувальні напруження в поверхневому шарі, що сприяє підвищенню довговічності відновлених деталей.

Основний зміст роботи

1. Аналіз існуючих методів, які використовуються для нанесення компенсуючих знос покриттів показав, що найбільш ефективними є способи з використанням висококонцентрованих джерел енергії, які не призводять до структурних змін в серцевині деталі і не погіршують їх втомну міцність.

Найбільш доступним є метод електроіскрової обробки, який забезпечує можливість локального нанесення покриття, проведення обробки з різними параметрами для кожного електроду, отримання однорідної структури з заданими властивостями при кристалізації і може бути використаний без великих матеріальних затрат на різних ремонтних підприємствах.

2. Сформульовані умови одержання ефективних покриттів на довгомірні деталі при їх відновленні електроіскровим методом. Вони включають вимоги до хімічного складу матеріалу анода, регулювання товщини покриття, його фазового складу і структури, суцільності нанесеного шару, міцності зчеплення, рівня твердості і шорсткості.

3. Встановлено, що найбільш ефективними матеріалами анода є матеріали, леговані хромом (10Х13, 30Х13, 10Х18Н10Т, ферохром), які забезпечують необхідну довговічність відновлюваних деталей за рахунок міцності зчеплення покриття з основою (не нижче міцності матеріалу основи), коефіцієнта суцільності нанесеного шару (не нижче 97%), формування структур з високою твердістю (не менше Н-50-550-570), зносостійкістю, жароміцністю.

Розроблена математична залежність, яка описує вплив хімічного складу матеріалу анода (вміст вуглецю і хрому) та параметрів обробки на товщину покриття. Для забезпечення якісного покриття число проходів електродом неповинно бути вище 3-4-х, а повздовжня подача не більше 1мм/об.

4. Оцінена кінетика зміни хімічного складу покриття в процесі його нарощування методом ЕІО електродами з різних сплавів. Виявлена зміна концентрації компонентів покриття з урахуванням їх вмісту в аноді. Визначено час, в період якого вміст компонентів стабілізується і зявляються фази з азотом. Вивчені закономірності розподілу хімічних елементів та склад фаз по глибині покриття і зони термічного впливу. Зі збільшенням ступеню легованості і частки вуглецю в катоді середня глибина зони термічного впливу, починаючи з 4-х проходів, істотно зростає.

Для підвищення якості покриття рекомендовано використовувати ППД з навантаженням 30МПА. Поверхневе пластичне деформування покриття, нанесеного методом ЕІО, з одного боку підвищує суцільність покриття і зменшує його шорсткість, а з другого боку створює стискувальні напруження в поверхневому шарі, що сприяє підвищенню довговічності відновлених деталей.

5. Розроблені рекомендації з підготовки робочої поверхні зношених деталей. Для деталей, в яких в процесі експлуатації не відбувається суттєвої зміни фазового складу в поверхневому шарі, а присутні лише мікротріщіни глибиною до 5мкм (штоки гідроциліндрів сільськогосподарських машин зі сталей 40Х, 45Х, колінчасті вали з сірого чавуну), необхідно видалити пошкоджений шар і провести загальні операції відновлення.

При відновленні азотованих деталей перед відновленням необхідно здійснити дисоціацію нітридів. Для цього запропоновано метод розкладу азотованого шару шляхом обробки лазерним променем, який дозволяє здійснювати дисоціацію нітридів на глибину до 0,17-0,55мм (в залежності від режимів лазерної обробки). Виконано математичне обґрунтування режимів лазерної обробки деталей та визначені оптимальні параметри (Р=1,15?103Вт; S=D=4?10-3м; n=0,29с-1).

6. Проведено промислове випробовування та впровадження електроіскрового метода нанесення покриттів для деталей різного призначення.

В умовах Пересічанського РТП оброблена промислова партія штоків зі сталей 40Х, 45Х електродом 30Х13, що забезпечило підвищення їх зносостійкості в 1,6 рази. Одержано економічний ефект 42,16тис. грн.

Для Зміївської ГРЕС розроблено ТЛЗ (на базі АТ “Турбоатом”) на створення спеціалізованої дільниці по відновленню та зміцненню штоків зі сталі 20Х1М1Ф1ТР електродом 10Х13. Відновлення штоків по цій технології забезпечило підвищення їх стійкості в 2 рази, що дало економічний ефект в 97,54тис. грн.

В фахових виданнях: 1. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Авак Э.А., Мартыненко А.Д., Слоновский Н.В. Упрочнение втулок гидронасосов из алюминиевых сплавов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1995. - № 11. - С.24-25. (Автором проведено комплекс досліджень по впливу лазерного випромінювання при обробці цим методом, побудовані графічні залежності, розроблено методику розрахунку температурного поля).

2. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Науменко А.А., Мартыненко А.Д., Иванов В.И. Влияние химического состава и пластической деформации на склонность к графитизации высокоуглеродистых сплавов // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. - Харьков: ХГТУСХ, 1996. - С.56-62. (Автором проведені дослідження по впливу деформації на графітизацію, узагальнені матеріали).

3. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Науменко А.А., Мартыненко А.Д. Механизм износа плунжеров роторных насосов // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин.- Харьков: ХГТУСХ, 1996. - С.28-32. (Здобувачем проведено збір і узагальнення інформації та результатів досліджень).

4. Мартыненко А.Д. Исследование распределения химических элементов в слое после электроискровой обработки // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. - Харьков: ХГТУСХ, 1997. - С.140-146.

5. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д. Исследование влияния химического состава анода на величину и качество слоя, восстановленного электроискровым методом // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. - Харьков: ХГТУСХ, 1997. - С.75-81. (Автором запропонована схема експерименту, математична залежність, побудовані графічні залежності).

6. Скобло Т.С., Науменко А.А., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д., Полищук И.В. Изучение напряженного состояния наращенного слоя после ЭИО // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. - Харьков: ХГТУСХ, 1999. - С.63-67. (Автором проведені експерименти по впливу параметрів обробки на формування нанесеного шару, побудовані графічні залежності).

7. Мартыненко А.Д. Поверхностное упрочнение штоков методом ЭИО // Сб. науч. тр.: Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин. - Харьков: ХГТУСХ, 1999. - С.170-173.

8. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д., Слоновский Н.В. Способ восстановления и упрочнения деталей обработкой лазерным лучом // Вісник ХДТУСГ: Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. Вып. 4. - Харьков: ХГТУСХ, 2000. - С. 82-86. (Здобувачем проведено збір і узагальнення інформації і результатів досліджень).

9. Скобло Т.С., Мартыненко А.Д., Солодовник В.В. Разработка конструкции электрододержателя, обеспечивающего повышение производительности процесса электроискровой обработки // Вісник ХДТУСГ: Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. Вип. 8, Т. 2. - Харьков: ХГТУСХ, 2001. - С. 245-250. (Автором проведені експерименти по впливу конструкції електродів при ЕІО на формування нанесеного шару, суцільність покриття та продуктивність процесу).

10. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д., Слоновский Н.В. Математическое обоснование режима лазерной обработки деталей, предварительно подвергнутых химикотермической обработке, для повышения прочности восстанавливаемых покрытий // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Сб. науч. тр. тем. вып. “Динамика и прочность машин”. Вып. 10. Т.2. - Харьков: НТУ “ХПИ”. 2002. - С. 138-160. (Автором проведені дослідженя по впливу параметрів лазерної обробки на розпад азотованого шару, зібрані та обгрунтовані матеріали досліджень, виведено математичну залежність).

11. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Науменко А.А., Мартыненко А.Д. Лазерная обработка деталей, подвергнутых химикотермической обработке.// Сб. докладов 3-й Международной конференции ОТТОМ-3 "Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов" Ч.1. - Харків: ННЦ ХФТІ, ИПЦ "Контраст". 2002р - С.220-222. (Здобувачем проведено дослідження, збір і узагальнення інформації та їх результатів).

12. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Науменко А.А., Мартыненко А.Д., Слоновский Н.В. Метод восстановления длиномерных деталей, предварительно подвергнутых химикотермической обработке // Вісник ХДТУСГ: Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. Вип. 13. - Харків: ХДТУСГ, 2002. - С. 3-7. (Автором проведені експерименти, збір і узагальнення інформації по відновленню деталей, попередньо підданих хіміко-термічній обробці).

В інших виданнях: 13. Скобло Т.С., Сідашенко О.І., Мартиненко О.Д., Науменко А.А. Вплив параметрів обробки та електродного матеріалу на якість та властивості відновленого шару методом електроіскрового нарощування // Сб. тр. ІІ науч.-пр. конф.: Перспективы развития механизации, автоматизации и технического сервиса сельскохозяйственного производства. - Полтава: ПГСИ, 1997. - С.32 - 35. (Автором проведені експерименти по впливу параметрів обробки на формування нанесеного шару).

14. Мартиненко О.Д. Дослідження впливу параметрів ЕІО на формування нарощувального шару та стійкість анода // Зб. доповідей молодих вчених: Актуальні проблеми природничих і гуманітарних наук. - Полтава: ПДСГІ, 1997. - С.275-281.

15. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д., Хохлов А.Т., Триполко В.К., Триполко П.К. Разработка технологического процесса повышения твердости стали 30Х13. // Сб. тр. Научно-практической конф.: "Концентрированные потоки энергии в обработке и соединении материалов". - Пенза: Издательство ПРДЭНТП, 1991. - С.80-82. (Здобувачем проведені експериментальні дослідження та узагальнені матеріали експериментів).

16. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Науменко А.А., Мартыненко А.Д., Слоновский Н.В. Метод восстановления длинномерных деталей, предварительно подвергнутых химикотермической обработке // Труды 5-ой Междунар. науч.- прак. конф. “Физические и компьютерные технологи в народном хозяйстве”. - Харьков: ХНПК “ФЭД”. 2002. - С. 367-371. (Автором проведено дослідженя по впливу лазерної обробки на розпад азотованого шару, зібрані та оброблені матеріали досліджень).

17. Скобло Т.С., Сидашенко А.И., Мартыненко А.Д., Хохлов А.Т., Рудюк А.С. Разработка технологии поверхностного упрочнения штоков // Информационный листок №128. - Харьков: Харьковский ЦНТЭИ. 1993. - 0,40п.л. (Автором проведено комплекс досліджень, проведена модернізація обладнання, побудовані графічні залежності).