Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ условий эксплуатации, причин отказов и путей повышения износостойкости деталей узла резания станков для производства стружки 13
1.1 Виды и конструкции станков для получения стружки 13
1.2. Процесс формирования качественных показателей стружки при переработке древесины на стружечных станках 15
1.3 Основные причины отказов деталей станков для изготовления древесной стружки 18
1.4 Условия эксплуатации стружечных станков и факторы, определяющие работоспособность их рабочих органов 20
1.4.1 Нагрузки и скорости, действующие на функциональные поверхности деталей 21
1.4.2 Температурный режим работы при эксплуатации стружечных станков 26
1.4.3 Влияние состояния древесного сырья и сред, извне вносимых в рабочую зону 28
1.4.4 Физические и механические свойства материала деталей узла резания стружечных станков и их влияние на работоспособность 30
1.5 Методы повышения эксплуатационных триботехнических свойств и срока службы деталей узла резания станков для получения стружки 31
Выводы к главе 1 з
2. Влияние износа деталей узла резания стружечных станков на качество производимой стружки и обоснование возможности повышения их износостойкости 37
2.1 Влияние износа деталей узла резания стружечного станка на параметры качества получаемой стружки
2.2. Закономерности коррозионно-механического изнашивания железоуглеродистых сплавов при фрикционном контакте с древесиной 41
2.2.1 Динамика изменения состояния функциональных поверхностных слоев деталей узла резания стружечных станков и влияние их на износостойкость 44
2.2.2 Процессы химического разрушения изнашиваемых поверхностей при эксплуатации стружечных станков 48
2.2.2.1 Электрохимическая коррозия 49
2.2.2.2 Реакции с образованием хелатов и другие химические реакции в зоне фрикционного контакта 53
2.2.2.3 Наводороживание поверхностных слоев деталей узла резания стружечных станков 56
2.2.2.4 Обезуглероживание поверхностных слоев деталей узла резания стружечных станков 2.2.3 Механические аспекты разрушения поверхностей трения 62
2.2.4 Синергетическая компонента разрушения поверхностных слоев при коррозионно-механическом изнашивании 66
2.3 Обоснование методов повышения износостойкости поверхностей деталей узла резания стружечных станков 69
2.3.1. Выработка требований к характеристикам функциональных поверхностных слоев для минимизации интенсивности их изнашивания 70
2.3.2 Технологические основы создания износостойких поверхностных слоев деталей стружечных станков 75
2.3.3 Обоснование условий и режимов проведения упрочняющей обработки 78
Выводы к главе 2 82
3. Разработка методов оценки показателей износа и путей повышения долговечности деталей узла резания стружечного станка 85
3.1 Исследование коррозионно-механического изнашивания деталей ножевых валов стружечных станков 86
3.1.1 Испытательное оборудование для выполнения исследований коррозионно-механического изнашивания и используемые образцы 89
3.1.2 Методика определения механической, коррозионной и синергетической составляющих износа пары трения «сталь древесина» 97
3.2 Исследование изнашивания применительно к условиям эксплуатации деталей ножевого вала стружечных станков 101
4. Исследования изнашивания материалов деталей узла резания стружечных станков 108
4.1 Исследование износа материалов при фрикционно-химическом взаимодействии с древесиной 108
4.1.1 Исследование износа в условиях коррозионно-механического воздействия 109
4.1.2 Исследование электрохимических характеристик материалов в условиях коррозионно-механического изнашивания 113
4.1.3 Исследование механической составляющей износа в условиях коррозионно-механического изнашивания 118
4.1.4 Исследование химической составляющей износа в условиях коррозионно-механического изнашивания 120
4.2 Влияние кислотности среды на суммарный износ образцов 126
Выводы к главе 4 130
5. Производственное опробование и расчет экономической эффективности от использования результатов исследования 132
5.1 Методика упрочняющей обработки деталей узлов трения стружечных станков 132
5.2. Проведение и результаты производственных испытаний 136
5.3. Экономическая эффективность промышленного использования полученных результатов 137
Выводы к главе 5 141
Основные выводы и рекомендации 143
Библиографический список
- Условия эксплуатации стружечных станков и факторы, определяющие работоспособность их рабочих органов
- Закономерности коррозионно-механического изнашивания железоуглеродистых сплавов при фрикционном контакте с древесиной
- Испытательное оборудование для выполнения исследований коррозионно-механического изнашивания и используемые образцы
- Исследование механической составляющей износа в условиях коррозионно-механического изнашивания
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность деревоперерабатывающего производства характеризуется в основном показателями качества производимой продукции, и ее себестоимостью. При этом значения указанных параметров определяются преимущественно производительностью и долговечностью применяемого оборудования.
Это в полной мере относится и к станкам, используемым при производстве стружки, необходимой для изготовления ДСтП, ЦСП и ряда других древесных композитов, поскольку требуемая их долговечность зачастую не обеспечивается по причине быстрого достижения предельного износа функциональных рабочих поверхностей ответственных деталей.
В стружечных станках к таким деталям относятся детали узла резания - ножевой вал, клинья, ножедержатели и т.д., поскольку при достижении некоторого значения их износа, качество вырабатываемой стружки заметно снижается и перестает удовлетворять требованиям к стружке для производства ДСтП. Это приводит к необходимости восстановления исходной работоспособности стружечных станков, связанной с длительным выведением оборудования из эксплуатации, что отрицательно сказывается на технико – экономической эффективности его работы. Поэтому повышение износостойкости указанных ответственных деталей имеет большое значение с точки зрения обеспечения эффективности производства древесной стружки.
Таким образом, выявление закономерностей влияния величины износа на качество получаемой стружки, уточнение закономерностей изнашивания деталей стружечных станков, и обоснование возможностей их упрочняющей обработки при изготовлении и реновации является актуальной.
Цель и задачи исследования. Цель работы – повышение эффективности производства древесной стружки на основе увеличения долговечности работы стружечных станков путем создания и реализации методов повышения износостойкости деталей узлов резания.
Для достижения поставленной цели в представленной диссертации требуется решение следующих задач:
-
выявить закономерности влияния износа деталей узлов резания стружечных станков на стабильность размеров получаемой древесной стружки, используемой при изготовлении древесно-стружечных плит;
-
исследовать условия функционирования и установить основные причины отказов стружечных станков, а также выявить пути увеличения износостойкости деталей узла резания, обеспечивающие повышение эффективности производства стружки;
3) изучить механизм изнашивания рассматриваемых деталей и обос
новать эффективные способы их упрочнения при изготовлении и ремонте;
-
разработать методики экспериментальных исследований изнашивания деталей узла резания стружечных станков и оценки влияния на этот на этот процесс явлений, протекающих при изготовлении древесной стружки.
-
экспериментально установить закономерности влияния параметров работы стружечных станков и физико – химических свойств материалов, используемых для изготовления и упрочнения их деталей, на износостойкость получаемых поверхностных слоев и установить возможные пути ее обеспечения;
-
разработать рекомендации для производственного использования предложенных мероприятий по повышению долговечности и технико-экономической эффективности функционирования стружечных станков; провести производственные испытании опытных образцов и оценить технико-экономическую эффективность применения выработанных рекомендаций.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются детали узла резания, определяющие работоспособность стружечных станков, и технологические аспекты увеличения срока их службы. Предмет исследования - установление закономерностей влияния состава и структуры поверхностных слоев деталей оборудования для производства стружки на их износостойкость и возможности повышения за счет этого качества получаемой стружки.
Методология выполнения работы заключается в применении комплексного подхода, включающего моделирование особенностей эксплуатации деталей оборудования для производства стружки и теоретический анализ происходящих процессов изнашивания; в изучении разрушения изнашиваемых поверхностей; в проведении экспериментальных исследований влияния эксплуатационных условий и структурно-фазового состава поверхностных слоев на износостойкость деталей узла резания стружечных станков, а также выявлении связи параметров износа деталей с характеристиками качества получаемой продукции – стружки.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые выявлена взаимосвязь между величиной износа основных деталей конструкции ножевого вала стружечных станков и параметрами, определяющими качество получаемой на них технологической стружки.
-
Выявлены закономерности влияния на механизм и величину износа рабочих поверхностей деталей оборудования для производства древесной стружки, отличающиеся от известных комплексным учетом влияния свойств древесного сырья и химического состава и структуры материалов деталей оборудования.
3) Усовершенствована методика экспериментальных исследований
коррозионно-механического изнашивания материалов древесиной, отличаю
щаяся возможностью выделения значений механической, химической и
синергетической составляющих общей величины износа.
4) Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования для повышения износостойкости деталей узла резания стружечных станков перспективных наплавочных материалов, обладающих высокой сопротивляемостью коррозионно-механическому изнашиванию и позволяющих создавать упрочненные зоны, отличающиеся переменной износостойкостью по отдельным участкам рабочих поверхностей исследуемых деталей.
Теоретическая значимость работы заключается в выявлении зако
номерностей влияния износа деталей ножевого вала стружечных станков на
показатели качества, получаемой технологической стружки; в уточнении
моделей процессов, происходящих в зоне фрикционного контакта поверхно
стей деталей стружечных станков с древесным сортиментом; в создании усо
вершенствованной методики исследования изнашивания пары трения
«сталь-древесина»; в разработке теоретических основ выбора материала и
способов упрочнения поверхностных слоев деталей узлов трения стружеч
ных станков, обеспечивающих повышение их износостойкости.
Практическая значимость работы заключается в выработке производственных рекомендаций получения поверхностных слоев, обладающих высокой износостойкостью, за счет чего обеспечивается возможность существенного увеличения срока службы оборудования для производства древесной стружки и повышение ее качества.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) результаты исследования причин отказов стружечных станков, позволяющие обосновать возможные пути увеличения износостойкости их основных деталей и повышения за счет этого качества получаемой древесной стружки;
2) установленные закономерности влияния величины износа деталей
узла резания на размерные характеристики получаемой стружки;
3) установленные закономерности изнашивания материалов при
фрикционном контакте с древесиной и предлагаемые пути снижения износа
деталей, позволяющие учитывать химический и структурно-фазовый состав
материалов деталей и характеристики изнашивающего древесного сырья;
4) уточненная методика и результаты экспериментальных исследова
ний процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта пары трения
«сталь-древесина», позволяющие оценить величину отдельных составляю
щих износа и влияние различных видов упрочняющей обработки на миними
зацию его величины;
5) способы увеличения долговечности деталей оборудования для
производства стружки за счет создания поверхностных слоев с повышенной
сопротивляемостью изнашиванию древесиной;
6) рекомендации для промышленного использования, предложен
ных способов упрочняющей обработки деталей узла резания стружечных
станков, позволяющие увеличить технико-экономическую эффективность
исследуемого оборудования за счет снижения затрат на его содержание и повышения качества получаемой продукции.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается их сопоставимостью с известными теоретическими закономерностями и экспериментальными данными; использованием апробированных методик при проведении экспериментальных исследований, высокой сходимостью теоретических выводов с результатами опытно-промышленных и лабораторных испытаний.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Разработка разделов диссертационной работы выполнялась в соответствии с пунктами 5, 8 и 13 паспорта специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.
Апробация результатов диссертации. Результаты выполненных разработок и исследований по теме настоящей работы обсуждались и докладывались на: научно-технической конференции «Механика технологических процессов в лесном комплексе»(г. Воронеж, 2014 г.), VIII российской научно-технической конференции "Физико-химия и технология неорганических ма-териалов"(г. Москва, 2011 г.), конференциях «Достижения молодых ученых Брянской области»(г. Брянск, 2009-2010 гг.), интернет-конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2008-2014 гг.), научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективность в условиях развития арктического региона» (г. Архангельск, 2011 г.), V международной научно-практической конференции "Ремонт. Восстановление. Реновация" (г. Уфа, 2014 г.), международной конференции «Актуальные проблемы трибологии» (г.Самара, 2011 г.), научно-практической конференции «I Европейский лесопромышленный форум молодежи» (г.Воронеж, 2014 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы машиноведения: трибология – машиностроению – 2012» (г. Москва, 2012 г.), III всероссийском научно-практического семинаре «Техника и технологии трибологических исследований»( г.Иваново, 2012 г.), всероссийской конференции “Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и ме-хатронике»(г. Москва, 2012 г.), всероссийской научно-практической конференции «Научные исследования студентов и молодых ученых для целей становления и развития инновационных технологических платформ»(г. Орёл, 2014 г.), на кафедре «Оборудование лесного комплекса» ФГБОУ ВПО «БГИТА» в 2009-2014 гг.
Реализация результатов. Практическое использование результатов,
выполненных в диссертационной работе исследований, осуществлено на
предприятии ОАО «Дятьково ДОЗ». Их обоснованность подтверждается
достигнутым положительным технико-экономическим эффектом. Научные и
практические результаты работы так же используются в образовательном
процессе ФГБОУ ВО «БГИТУ» при подготовке бакалавров и магистров по
направлению «Технологические машины и оборудование».
Личный вклад автора. Автором выполнен аналитический обзор
состояния вопроса, включающий критический анализ литературных дан
ных, касающихся проблематики решаемых задач, определены цель и задачи
исследования, разработаны теоретические положения работы, разработаны
методики проведения экспериментальных исследований. Автором также
проведены экспериментальные исследования и выполнено обобщение их результатов; сформулированы основные выводы и рекомендации, осуществлена подготовка совместно с научным руководителем полученных результатов для публикации научных статей и тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников, содержащего 195 наименований. Работа изложена на 168 страницах, содержит 12 таблиц и 48 рисунков.
Условия эксплуатации стружечных станков и факторы, определяющие работоспособность их рабочих органов
Древесная стружка обычно изготовляется из круглых лесоматериалов, низкосортных пиломатериалов, технологической щепы, отходов, остающихся при оцилиндровке бревен и лущении, и т.д. Используемые на российских деревообрабатывающих производствах модели стружечных станков выпускаются рядом отечественных предприятий (Московский завод деревообрабатывающих станков и автоматических линий, Новозыбковский станкостроительный завод и др.), а также на европейских предприятиях Dieffenbacher GmbH, HOMBAK MASCHINEN, Maier Zerkleinerungstechnik GmbH, Pallmann Maschinenfabrik, Schuko H. Schulte-Sdhoff GmbH, Siempelkamp Maschinen- und Anlagenbau GmbH & Co, SAB Sgewerksanlagen GmbH и др [110].
Для подачи исходного сырья в стружечные станки используются питатели различной конструкции, определяемой в основном видом перерабатываемого сырья. Питатель стружечных станков, для переработки мерных чураков, выполняют в виде вертикально, горизонтально или наклонно установленных конвейеров. Питатель стружечных станков, предназначенных для переработки длинномерного сырья, представляет собой горизонтальный желоб, боковыми стенками и дном которого служат роликовые конвейеры. В станках, предназначенных для переработки щепы, питателем служит наклонная воронка, через которую щепа непрерывно поступает в ножевой ротор.
На станках дисковых и с ножевым валом подается древесина на режущий орган, а ножевой держатель имеет только вращательное движение вокруг своей оси. На стружечном станке роторного типа перерабатываемая древесная щепа подается на нож лопастями крыльчатки, вращающейся в направлении, противоположном вращению ножевой головки.
В дисковых станках стружки срезаются по толщине плоскими ножами, расположенными радиально на торцевой поверхности диска, который вращается на горизонтальном или вертикальном валу. В станках с ножевым валом стружки по толщине срезаются ножами, установленными в продольных пазах вращающегося цилиндра параллельно или под углом к его оси. Режущие кромки ножей, как правило, выполняются в виде гребенки. В роторных станках ножи расположены внутри ножевого ротора, вращающегося на горизонтальном валу.
Древесина на режущие ножи подается механизмом принудительной подачи непрерывного действия. Для получения качественных стружек с заданными размерами древесина по отношению к режущим ножам должна быть ориентирована так, чтобы резание происходило поперек волокон.
Процесс формирования качественных показателей стружки при переработке древесины на стружечных станках Качество стружки, используемой в деревоперерабатывающей промышленности для производства ДСтП и других композиционных древесных материалов, определяется, прежде всего, породой древесины, формой и размерными характеристиками стружки (длиной, шириной и толщиной), шероховатостью поверхностей отдельных стружек, фракционным составом стружечной массы, объемной насыпной массой и влажностью., также степенью деформации и наличием микротрещин, возникших при силовом разрушающем воздействии на перерабатываемый материал [45, 62, 64, 104].
После сушки вся полученная на станках стружка сортируется на сортировочных машинах, при этом крупная идет во внутренний слой, а мелкая -в наружные слои ДСтП. Требуемый уровень геометрических размеров древесной стружки, используемой для производства ДСтП, регламентируются действующими нормативными документами (таблица 1.1).
Заданная толщина стружек, получаемых на стружечных станках, обеспечивается величиной размера, на которую выступают лезвия ножей над поверхностью ножевого вала и скоростью подачи древесины при ее переработке. Необходимая длина стружек обеспечивается регулировкой подрезных ножей, устанавливаемых перед ножами, или использованием ножей с гребенчатой кромкой на стружечных станках с ножевым валом. Длина стружек определяется расстоянием между подрезными ножами или длиной гребенки стружечных ножей.
Качество стружки в значительной степени зависит от степени износа используемых ножей и отдельных деталей узла резания используемого стружечного станка (ножевого вала, ножевого диска, ножедержателей и др.), а также от состояния перерабатываемого сырья. Однако данных, необходимых для достоверной оценки указанного влияния, в проанализированных литературных источниках нами не обнаружено.
Вместе с тем, анализ результатов мониторинга взаимосвязи условий эксплуатации указанного оборудования, динамики изменения качества получаемой стружки, а также характера и величин износа инструмента и деталей узла резания стружечного станка позволяет сделать вывод о существенной зависимости между уровнем качества стружки и величиной износа указанных деталей, а также о влиянии последнего на динамику протекания процесса резания.
В частности, износ деталей оборудования, и прежде всего неравномерность распределение его величины по длине ножевого вала, способствует и возникновению различий между толщинами формируемой стружки в зависимости от зоны вала, в которой она формируется. При этом стружка повышенной толщины образуется в местах, где износ вала наибольший. Отмеченная особенность протекания процесса резания приводит к увеличению разброса размеров толщин стружек, характеризуемого среднеквадратичным отклонением, возрастающим по мере увеличения износа ножевого вала.
Закономерности коррозионно-механического изнашивания железоуглеродистых сплавов при фрикционном контакте с древесиной
Как видно, наибольшая и достаточно стабильная величина износа наблюдается в центральной части вала на ширине 500 – 600 мм, затем износ плавно снижается до некоторого минимума на краях вала. Математическая аппроксимация приведенных экспериментально-статистических данных позволила установить следующие зависимости распределения износа по ширине рабочей зоны ножевого вала: y = -0,0662x2 + 0,8604x - 0,8909 при R = 0,9848 (0,5 лет эксплуатации) y = -0,0331x2 + 0,4302x - 0,4455 при R = 0,9848 (1 год эксплуатации) y = -0,0165x2 + 0,2151x - 0,2227 при R = 0,9848 (2 года эксплуатации) Кроме того отмечается и определенная гребневидность распределения профилограммы сечения поверхности износа, при этом высота отдельных выступов на этой поверхности находится в пределах 0,1 – 0,4 мкм, что при оценочных расчетах может не учитываться.
Неравномерность распределения износа ножевого вала по его длине способствует возникновению различий между толщинами формируемой стружки в зависимости от зоны вала, в которой она формируется. При этом стружка повышенной толщины образуется в местах, где износ вала наибольший. Отмеченная особенность протекания процесса резания приводит к увеличению разброса размеров толщин стружек, характеризуемого среднеквадратичным отклонением, возрастающим по мере увеличения износа ножевого вала.
Помимо изложенного, по мере увеличения износа ножевого вала начинают наблюдаться надломы стружки повышенной толщины и даже раскалывание ее на отдельные фрагменты игольчатой формы, Причиной такого явления может являться изменяющийся механизм стружкообразования, в процессе чего начинает значительную роль играть факторы, способствующие образованию при переработке древесины стружки надлома, имеющей пониженную длину, а в ряде случаев и вовсе игольчатую форму. Исходя из такой картины износа, можно полагать, что повышения стабильности толщин получаемой стружки можно достигнуть, если обеспечить при эксплуатации стружечных станков более равномерный износ вала по всей его ширине.
В частности, это может быть достигнуто обеспечением в зонах ускоренного изнашивания повышенной износостойкости используемого материала. В идеальном случае закономерности изменения показателей износостойкости вала по его длине могут носить зеркальный характер по отношению к кривой износа вала. Такого рода закономерность приведена на рисунке 2.2. Однако, достижение на практике на конкретных деталях такой закономерности изменения износостойкости весьма сложно, поэтому на наш взгляд более целесообразно технологически упрочненные зоны со ступенчато изменяющейся износостойкостью.
Диаграммы идеализированного изменения и технологически рационального изменения износостойкости по ширине ножевого вала. Для обоснованного выбора материалов и технологий локального упрочнения зон повышенного изнашивания необходим подбор материалов или схем выполнения упрочняющих технологий, учитывающих механизм изнашивания в рассматриваемых условиях фрикционного взаимодействия с древесиной в условиях, соответствующих реализующимся, про эксплуатации стружечных станков. Поскольку для изготовления деталей узла ножевого вала в подавляющем большинстве случаев используются стали различного химического состава, являющиеся одним из подвидов железо-углеродистых сплавов, то необходимо рассмотреть закономерности их изнашивания и возможные пути повышения их износостойкости.
Сложность процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта перерабатываемых древесных заготовок и деталей узла резания стружечных станков обусловливает существенные затруднения в исследовании изнашивания контактирующих с древесиной деталей и выявление эффективных путей повышения их износостойкости. При этом по многочисленным литературным данным изнашивание представляет собой сочетание двух укрупненных механизмов. Первый инициируется совокупностью химических явлений, реализующихся в зоне фрикционного контакта, а второй – это изнашивающие механические воздействия. Такой вид изнашивания многими исследователями назван коррозионно-механическим, или трибокоррозией [14,15,65,96,152,156,157,168,171-173,177-182]. Для трибокоррозии характерен синергизм механических и химических явлений, когда их взаимное влияние не может быть представлено как сумма эффектов отдельных составляющих. Степень проявления синергетических эффектов зависит от особенностей взаимодействия химических веществ, находящихся в зоне трения, друг с другом и с материалами контактирующих поверхностных слоев, что может, как увеличивать, так и уменьшать результирующий износ поверхностей пары трения [190, 169,170, 193].
При этом электрохимические процессы, протекающие в зоне контактного взаимодействия, могут значительно повышать интенсивность изнашивания металлической поверхности, поскольку продукты коррозии во многих случаях являются менее прочными, чем основной металл, на котором они образуются, и имеют относительно слабую к нему адгезию. С ростом интенсивности механического воздействия роль электрохимического фактора убывает и может сводиться к «разрыхлению» поверхности металла, способствующему разрушению поверхностного слоя.
Увеличение механической нагрузки на поверхности трения приводит к повышению интенсивности протекания коррозионных процессов в зоне фрикционного контакта, поскольку механическое удаление образовавшихся продуктов коррозии при трении приводит к постоянному восстановлению химического потенциала поверхности и замедлению процесса пассивации. На изменение потенциала влияет пластическая деформация, приводящая к движению и выходу на поверхность дислокаций. За счет этого поверхность трения находится в условиях импульсного колебания химического потенциала.
Кроме того в зоне трения происходит изменение энергии активации. При этом накопителем избыточной энергии является материал поверхности трения, а ее источником подводимая механическая энергия. В результате в процессе трения происходит резкое снижение энергии активации [142].
Испытательное оборудование для выполнения исследований коррозионно-механического изнашивания и используемые образцы
Наличие хрома в поверхностных слоях, вводимого, например, при наплавке, способствует образованию пассивирующего слоя, обладающего достаточной сплошностью и прочностью сцепления с поверхностью основы. При этом можно полагать, что благоприятной является концентрация примерно равная 13 процентов. так как по достижению такой концентрации сплавы по своим пассивирующим характеристикам приближаются к чистому хрому [51, 53, 106, 120, 136].
Однако содержание хрома в сплаве выше этого значения приводит к ухудшению механических свойств, особенно ударной вязкости. Кроме того, возможность наплавки такого материала является технологически сложной.
Если же наряду с повышением в железо-углеродистых сплавах содержания хрома происходит повышение содержания углерода, то это снижает их коррозионную стойкость. Поэтому уменьшение содержания углерода в таких сплавах положительно сказывается на их химической стойкости.
Кроме химической стойкости к агрессивным средам, другими важнейшими эксплуатационными факторами являются толщина наносимых поверхностных слоев и характер их структуры. Исходя из технологических требований, толщина слоя должна обеспечить необходимый уровень работоспособности оборудования в течение срока эксплуатации. Таким образом, в целях противодействия химическому воздействию поверхностный слой деталей узлов трения стружечных станков должен обладать равномерной мелкозернистой структурой при содержании в нем 13-14 % хрома и 0,2-0,3 % углерода. Толщина слоя должна составлять после окончательной обработки не менее 3-4 величин максимального значения износа.
Для уменьшения интенсивности изнашивания также необходимо снижение контактной усталостной повреждаемости поверхностей. Для этого необходимым является снижение количества концентраторов напряжения, а также достижение возможности торможения развития микротрещин вязкими прослойками и создание в поверхностных слоях сжимающих остаточных напряжений.
Нанесенное покрытие должно обеспечивать эффективное рассеивание подводимой при трении энергии, поэтому создаваемая структура должна содержать элементы, формирующие благоприятную микрогетерогенную структуру, обеспечивающую высокий уровень физико-механических свойств, и наличие связующей матрицы с твердыми включениями.
Упрочнение межфазных связей возможно за счет формирования вторичных соединений из элементов основных фаз. Эти соединения в виде тонкодисперсных включений (например, Cr7C3, Fe3C, Fe2C,C19Cr7Mo24, Fe63Mo37, FeTi, MoC) образуются вблизи основных межфазных границ, затрудняя их разрушение и упрочняя покрытие. Поэтому для противодействия усталостным воздействиям нами предлагается структура поверхностного слоя с вязкой аустенитной матрицей и равномерными твердыми включениями карбидной фазы.
С позиций уменьшения абразивного изнашивания предпочтительно создание покрытия с высокой твердостью и прочностью, для чего желательно введение в их состав упрочняющих фаз: карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов, чистых и малорастворимых в железе металлов. При этом лучшее упрочнение достигается при формировании твердых дисперсных частиц малого размера и при обеспечении минимального расстояния между ними в твердом растворе.
Надо также полагать, что при получении структуры, соответствующей правилу Шарпи, когда благоприятная структура сплава достигается за счет того, что твердые структурные составляющие залегают в поверхностном слое трения в виде изолированных друг от друга включений, а наиболее вязкие структурные составляющие образуют сплошную матрицу, износостойкость будет наибольшей [130]. Также одним из факторов оптимизации характеристик поверхностного слоя является обеспечение чувствительности к упрочнению при трении путем наклепа и превращений, что реализуется при введении в состав покрытий хрома и марганца. Это позволяет значительно повысить сопротивление изнашиванию, так как часть энергии расходуется на структурные превращения аустенита в мартенсит [17, 120].
Таким образом, повышенное противодействие абразивному изнашиванию рассматриваемых деталей может быть обеспечено при создании поверхностного слоя, представляющего собой аустенитно-мартенситную матрицу с равномерно распределенными карбидами хрома.
Для снижения водородной составляющей изнашивания желательно повышение плотности и минимизация пористости наносимого слоя и повышение его водородоизолирующей способности [24, 25, 97]. Это достигается за счет ввода в поверхностные зоны наплавленного слоя сильных карбидообразующих элементов (хром, молибден, ванадий, ниобий и титан) для стабилизации карбидной составляющей и предупреждения обезуглероживания материла деталей; создания на поверхности металла барьерных слоев, препятствующих диффузии водорода в сталь (окисные пленки, карбидные и нитридные покрытия); плакирования стали металлами, имеющими низкую водородопроницаемость; ионной имплантации азотом, бором, кобальтом, углеродом совместно с титаном и т.п., снижающих адсорбционную способность поверхности за счет либо специфического электронного строения поверхности, либо природы образующихся соединений или аморфизированных слоев, либо формированием напряженного состояния поверхности. В хромистых сталях достаточно устойчивой против водородного воздействия является карбидные фазы типа Me23C6 и Me7C3 [18, 37].
Исследование механической составляющей износа в условиях коррозионно-механического изнашивания
Таким образом можно уверенно полагать, что для всех исследуемых образцов в суммарном износе присутствует значимая синергетическая составляющая, поэтому коррозионно-механический износ не может быть представлен простой суммой механического износа и коррозии, что и подтверждает высказанные ранее предположения.
Анализ полученных результатов показывает, что для сталей 12Х18Н10Т и У8 синергетическая составляющая в основном определяется вызванным коррозией износом Scw, которая примерно на порядок больше вызванной износом коррозии Swс. В то же время как для Стали 10 обе компоненты синергетической составляющей достаточно близки по своим величинам, при этом коррозионная составляющая все-таки несколько больше.
При этом для всех образцов из рассматриваемых материалов не наблюдается резкого отличия значений безразмерной величины Z, характеризующей относительный прирост механического износа. Тем не менее наибольшие значения Z зафиксированы у образцов, изготовленных из стали У8 (рисунок 4.10). Сравнение значений относительного прироста потери материала из-за коррозии Y исследуемых образцов показало, что прирост существенен и достигает максимального значения у образцов из стали Стали 10, в то же время прирост Y для образцов из стали 12Х18Н10Т незначителен (рисунок 4.11).
Как видно из приведенной гистограммы, механическая составляющая износа рассматриваемых сталей имеет долю от 28% до 50%, химическая – от 19% до 41% и синергетическая – от 19% до 47% от совокупного износа образцов в условиях фрикционного контакта с древесиной. Максимальная доля синергетической составляющей зафиксирована для образцов из стали 40Х (после улучшения), минимальная – для образцов из стали У8. Наибольшая доля химической составляющей получена для образцов из стали 10, наименьшая - для образцов из стали 12Х18Н10Т. Доля механической составляющей максимальна для стали 12Х18Н10Т, минимальна для Стали 10.
Наилучшие показатели износостойкости в рассмотренных условиях коррозионно-механического изнашивания были получены для стали 12Х18Н10Т. Однако применение этой стали как для изготовления деталей, так и для нанесения покрытий во многих случаях экономически и технологически нецелесообразно.
Согласно приведенным данным можно полагать, что для рассматриваемых условий эксплуатации минимизацию износа может обеспечить материал с повышенными показателями прочности и твердости в сочетании с высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Такими характеристиками обладает легированные стали (такие как сталь 12Х18Н10Т.), имеющие аустенитно-мартенситную структуру с равномерно распределенными в ней карбидами.
Проведенные экспериментальные исследования показали принципиальную возможность получения износостойких композиций на основе использования сплавов с указанной структурой. Для окончательной оптимизации технологических параметров целесообразно продолжить варьирование химического и структурно-фазового состава материала в рамках выбранной структуры и провести исследование износостойкости выбранной группы материалов в условиях испытаний, в большей степени приближенных к соответствующим им условиям эксплуатации деталей ножевых валов стружечных станков.
Кроме уточнения механизмов изнашивания узлов трения стружечных станков, полученные выше экспериментальные данные могут быть использованы для исследования широкого набора пар трения древесных материалов с различными железоуглеродистыми сплавами, в частности, направляющих ленточных и рамных пил, древесных подшипников скольжения, рабочих органов лущильных и строгальных станков и т.д.
Исследование изнашивания перспективных наплавочных материалов при фрикционном взаимодействии в абразивно-химических средах.
Во второй серии исследований выявлялась возможность рационального использования наплавочных материалов, обладающих различными структурами, для повышения износостойкости деталей ножевых валов стружечных станков, а также исследовалась эффективность выполнения дополнительной поверхностной упрочняющей обработки на износостойкость.
Перечень исследуемых наплавочных материалов, их химический состав и структура приведены в таблице 4.10. В качестве контрольного образца использовался образец из стали 40Х, подвергнутый нормализации с последующей пластической деформацией рабочей поверхности.
В процессе исследований использовались следующие виды жидкостных сред: абразивно-водяная суспензия (вода с pH=7.0 и кварцевый песок) и абразивно-кислотная суспензия (буферный ацетатный раствор с pH=4.5 и кварцевый песок). Скорость скольжения— 25 м/c, нормальная нагрузка - 50 Н. Характерные графики зависимостей износа материалов от времени испытаний, полученные в результате экспериментальных исследований, представлены на рисунках 4.14 и 4.15.
Анализ приведенных экспериментальных данных показывает, что износ всех исследуемых материалов имеет повышенные значения в условиях введения в зону трения абразивно-кислотной суспензии. Согласно экспериментальным данным величина износа образцов, упрочненных в соответствии с выработанными нами рекомендациями, составляет величины износа в 1.2-1.5 раза меньшие, чем образцов, наплавленным другими перспективными электродами.
На следующем этапе экспериментов при трении в абразивно-кислотной суспензии исследовались образцы, наплавленные рекомендуемым наплавочным материалом; образцы, а также дополнительно подвергшиеся электроискровому легированию (ЭИЛ) и с нанесенным после электроискрового упрочнения защитным медным слоем. Результаты экспериментов представлены на рисунке 4.16.