Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие технологии и оборудования связано с созданием новых способов повышения износостойкости и долговечности деталей машин и механизмов, которые во многом определяются свойствами поверхностных слоев металла.
Для многих деталей строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин, прессового оборудования по производству керамических изделий, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы, долговечность и надежность работы лимитируется главным образом абразивным износом рабочих поверхностей. При этом скорость изнашивания зависит от характера контактирования, механических свойств материала, абразивных частиц, действующих нагрузок и составляет от 0,1 до 100 мкм/ч. Отделение частиц износа происходит в результате как микрорезания (вязкого или хрупкого), так и усталостного разрушения металла при малоцикловом (в пластической области) и многоцикловом (в упругой области) характере нагружения. Многообразие условий абразивного изнашивания приводит к различным сочетаниям этих процессов разрушения микрообъемов поверхностных слоев металла.
Изнашивание сопровождается изменением формы, размеров и состояния поверхностей деталей, что приводит к снижению функциональных свойств и производительности технологического промышленного оборудования, возрастанию вероятности отказа. От износостойкости деталей зависят затраты на поддержание оборудования и машин в работоспособном состоянии, а также себестоимость производимой продукции. Производители стремятся повысить качество продукции, сохранив невысокую себестоимость, за счет внедрения новых технологий.
Сроки службы деталей машин и механизмов в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами поверхностных слоев металла. Износ, усталостные и коррозионные разрушения, ограничивающие долговечность деталей, обычно проявляются в поверхностных слоях металла.
Для уменьшения абразивного износа в большинстве случаев необходимо обеспечивать высокую поверхностную твердость деталей при сохранении пластичности в глубине металла.
В современном машиностроении используют различные технологические методы упрочнения поверхностей, позволяющие повысить эксплуатационные свойства деталей.
Однако, несмотря на большое разнообразие технологических методов повышения износостойкости поверхностей деталей, проблемный характер носит упрочнение стальных пластин штампов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.
Массовый характер производства изделий, например керамического и силикатного кирпича, и высокая себестоимость пластин штампов для их
формования создают серьезные технологические проблемы для производства конкурентоспособной продукции, необходимой для строительства (кирпич, блоки, изделия из керамических материалов и т.п.).
Поэтому разработка новых эффективных способов упрочнения рабочей поверхности и повышения долговечности деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, в частности пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы: повышение износостойкости поверхности и долговечности пластин штампов для формования изделий из керамических и силикатных материалов путем упрочнения поверхностного слоя диффузионным порошковым борированием.
Объект исследования - износостойкость пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей методом прессования во взаимосвязи с упрочнением поверхностного слоя металла диффузионным борированием.
Предмет исследования - методы и средства технологического обеспечения по достижению износостойкой рабочей поверхности пластин штампов для прессования абразивосодержащих смесей.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
теоретически обосновать обеспечение износостойкой поверхности стальных пластин диффузионным борированием;
исследовать напряженное состояние абразивной смеси при прессовании в штампах и определить давление на различных участках пластин штампов для прогнозирования наиболее подверженных износу участков пластин;
экспериментально исследовать влияние концентрации компонентов порошковой борсодержащей смеси на микротвердость и глубину упрочненного слоя;
исследовать влияние технологических факторов на износостойкость пластин при прессовании абразивосодержащих смесей;
выполнить испытания пластин штампов на износ в производственных условиях с построением топографии поверхности пластин;
разработать рекомендации по повышению износостойкости пластин в условиях интенсивного абразивного износа.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений технологии машиностроения, законов механики сплошных сред и физики граничного трения, теории упругости и пластичности металлов, методов математического моделирования и теории многофакторного планирования эксперимента.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на современных ПК с использованием про-
граммного пакета MathCAD и других стандартных и специально разработанных программ.
Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность научных результатов обеспечивается корректной математической постановкой задач, адекватно отражающих физические закономерности процессов изнашивания поверхности и упрочнения металла, сопоставлением теоретических результатов и экспериментальных данных, а также результатами производственных испытаний. Достоверность и воспроизводимость опытов подтверждают результаты статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна:
-
Выявлены взаимосвязи износостойкости поверхности пластин с режимами и условиями диффузионного упрочнения металла бором, которые позволили определить глубину упрочнения и прогнозировать формирование заданных эксплуатационных характеристик.
-
Впервые установлены взаимосвязи величины и глубины упрочнения металла с продолжительностью диффузионного насыщения поверхности бором для нового состава порошковой смеси (решение о выдаче патента на изобретение).
-
Установлены статистические показатели изменения топографии поверхности боковых и торцевых пластин штампов, упрочненных борирова-нием, после износа, вызванного прессованием абразивосодержащих смесей.
-
Определены показатели качества поверхностного слоя упрочненных борированием пластин, обеспечивающие повышение износостойкости до трех раз по сравнению с закаленными после цементации пластинами при прессовании керамических и силикатных изделий (кирпича).
-
Аналитически решена краевая задача диффузии бора в поверхность упрочняемой пластины, в зависимости от концентрации бора в бор-содержашей порошковой смеси, что позволило прогнозировать глубину упрочнения и рекомендовать равномерный нагрев порошковой смеси до начала диффузии для создания в ней однородной концентрации бора.
На защиту выносятся:
-
Аналитические выражения для оценки напряженного состояния уплотняемой при прессовании абразивосодержащей смеси.
-
Для прогнозирования зон интенсивного износа пластин предложена методика определения давления на различные участки пластин при прессовании смеси и выбивке уплотненного брикета материала из штампа.
-
Математические модели взаимосвязи параметров упрочненного слоя с технологическими факторами диффузионного насыщения при бори-ровании.
-
Результаты экспериментальных исследований изменения макрогеометрии пластин при износе с построением топографии поверхности пластин.
-
Результаты сравнительных испытаний износостойкости образцов из конструкционных углеродистых сталей, упрочненных борированием и цементацией, а также изготовленных из закаленной износостойкой легированной стали.
-
Аналитическое решение краевой задачи диффузии бора в поверхность металла в зависимости от концентрации бора в порошковой борсодержащей смеси.
-
Новый состав порошковой смеси для борирования стальных пластин с катализаторами для стабилизации диффузионного процесса при отсутствии герметизации контейнеров с пластинами.
-
Математическая модель влияния технологических факторов на износостойкость пластин штампов при прессовании.
Практическая ценность:
разработана методика прогнозирования предельно допустимого износа пластин штампов;
решена задача повышения износостойкости пластин штампов для прессования керамического и силикатного кирпича путем диффузионного борирования;
разработан новый состав порошковой, борсодержащей смеси с катализаторами процесса диффузии;
предложена технология диффузионного насыщения бором пластин из конструкционной низкоуглеродистой стали, что позволило повысить их долговечность в производственных условиях в 2,5...3 раза;
- разработана технология восстановления изношенных пластин
штампов шлифованием и повторным борированием;
- внедрение результатов исследований на промышленных предпри
ятиях страны позволило получить годовой экономический эффект в разме
ре 225 000 руб.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «Завод Строммаш» (г. Пенза) и ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий» (г. Михайловка Волгоградская обл.). Обеспечено повышение износостойкости и долговечности пластин штампов при изготовлении керамического кирпича методом полусухого прессования в 2,5...3 раза.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2008); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2009» (Пенза, 2009); Международной научно-практической конференции «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009); научно-
техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (Москва, 2009, 2010); Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (Санкт-Петербург, 2010); Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2010); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2007-2010).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено решение о выдаче патента по заявке № 2009149278 «Порошкообразный состав для борирования стальных изделий».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 43 рисунка и девять таблиц.
