Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований 7
1.1 Актуальные задачи повышения износостойкости культиваторных лап с биметаллической рабочей частью 8
1.2 Состояние исследований по изучаемой проблеме 13
1.3 Цель и задачи исследований 23
2 Теоретические предпосылки использования энергии об лучения'для обработки материала покрытия 26
2.1 Обоснование необходимости облучения 26
2.2 Факторы, определяющие результат облучения 27
2.3 Выбор вида и.типа источника ионизирующего излучения для обработки материала покрытия 33
2.4 Обоснование принципов.моделирования объекта и предмета изучения 35
2.5 Модель аллотропических превращений в материале покрытия «под действием энергии облучения 47
Выводы 52
3 Методика экспериментальных исследований 53
3.1 Определение методов исследования 53
3.2 Технология изготовления культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе порошка из сплава для наплавки 54
3.3 Требования к установке для облучения материала покрытия 56
3.4 Методика>.облучения материала покрытия 61
3.5 Исследование парамагнетизма материала покрытия методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) 63
3.6 Гравиметрический анализ насыпной плотности материала покрытия . 65
3.7 Гранулометрический анализ частиц материала покрытия 67
3.8 Спектральный анализ материала покрытия 69
3.9 Исследование внутреннего трения в матрице материала покрытия 71
3.10 Определение макро- и микротвёрдости покрытия 74
3.11 Металлографический анализ структуры покрытия 78
3.12 Определение адгезионной прочности покрытия изгибом 80
3.13 Эксплуатационные испытания культиваторных лап 81
Выводы 84
4 Результаты исследований и их анализ 85
4.1 Результаты исследования спектров ЭПР, снятых с материала покрытия 85
4.2 Результаты измерения насыпной плотности материала покрытия 86
4.3 Результаты гранулометрического анализа частиц материала покрытия 87
4.4 Результаты спектрального анализа материала покрытия 89
4.5 Результаты измерения внутреннего трения в матрице материала -покрытия 89
4.6 Результаты определения твёрдости и микроструктурного состояния покрытия 90
4.7 Результаты испытания покрытия на изгиб 94
4.8 Результаты эксплуатационных испытаний культиваторных лап,
упрочнённых по известной и предлагаемой технологии 95
Выводы 100
Экономическая оценка результатов 102
Общие выводы 107
Список используемой литературы
- Состояние исследований по изучаемой проблеме
- Факторы, определяющие результат облучения
- Технология изготовления культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе порошка из сплава для наплавки
- Результаты измерения насыпной плотности материала покрытия
Введение к работе
Современные требования научно-технического прогресса выдвигают перед учёными, занимающимися конструированием рабочих органов почвообрабатывающих машин, новые проблемы и задачи - создание материалов с заданными физико-химическими и механическими свойствами, обеспечивающими наибольшую износостойкость рабочих органов в эксплуатационных условиях. В' полной мере это относится к лапам культиваторов.
Ввиду недостаточной эффективности существующих методов упрочнения материала лап культиваторов (закалка поверхности, лазерное упрочнение, введение легирующих элементов, использование высокоуглеродистых сталей и др.), а также в целях экономии высококачественного металла, их изготавливают из низкоуглеродистых сталей, и для обеспечения прочности и самозатачивания наплавляют твёрдыми сплавами, образующими биметаллическую рабочую часть [105 - 108]. В таком сочетании основной металл обеспечивает прочность, а наплавочный слой - абразивную износостойкость [60, 74]. Известно, что наибольшую износостойкость рабочим органам обеспечивают покрытия на основе композиции порошков из сплавов для наплавки [1 - 18, 74, 112]. Между тем, практика эксплуатации таких композитов свидетельствует о необходимости получения более стойкого к абразивному износу покрытия (сплава), а методы, основанные на,химическом модифицировании его сырьевых компонентов, себя исчерпали. Изменить существующее положение возможно путём разработки прогрессивного электрофизического процесса, позволяющего управляемо влиять на характер кристаллизации структуры твёрдого сплава в процессе наплавки.
Развитие радиационной физики на базе ускорительной техники дало возможность использовать для решения поставленного вопроса принципиально новое оборудование - ускорители электронов, позволяющие вести обработку порошковых компонентов из сплава для наплавки ионизирующим излучением [19 - 26, 103 - 106, ПО]. Изменение различных свойств материала покрытия
5 при этом может быть достигнуто с помощью введения в его структуру так называемых радиационных дефектов, возникающих при облучении' быстрыми частицами. Происходящие при облучении процессы в материалах являются* очень сложными и по настоящее время ещё до конца не изученными, а потому носят эволюционный характер. В* радиационной физике твёрдого тела и технологии изготовления- материалов- эти работы связаны, в. основном с изучением влияния^ различных видов* ионизирующих излучений на свойства, готовой продукции [29 - 34, 45, 46], и имеет место1 лишь незначительное1 количество работ по применению излучений непосредственно в! технологических процессах при производстве различных материалов; в том- числе и< порошковых [24, 61]. Для- данной области механики и физики характерна неразработанность экспериментальных методик изучения' внутренних параметров среды- из-за кратковременности протекающих процессов. Тем не менее, область применения-, сейчас ионизирующего излучения в различных областях науки* и техники- очень широка [20, 110], что подтверждает актуальность исследований в.выбранном направлении.
Известно, что вид и доза облучения материала формируют его последующие отличительные свойства. Это ставит задачу нахождения связи между условиями облучения материала покрытия как, целого в зависимости от соотношения "вид - энергия - температура - доза" [108].
Выбор вида облучения материала покрытия осуществлялся, из следующих условий. Прежде всего, излучение должно быть проникающим и создавать равномерно по объёму радиационные дефекты, не разогревая существенно порошковые компоненты. После облучения материал покрытия не должен.быть радиоактивным, сам же источник излучения также не должен быть опасным. Этим условиям в полной мере' отвечает тормозное гамма-излучение (гамма-кванты), полученное (на вольфрамовых или молибденовых мишенях) от ускорителей электронов с энергией меньше 10 МэВ [110].
В силу сказанного, основной целью настоящей работы является повышение износостойкости культиваторной лапы с биметаллической рабочей частью за счёт обработки материала покрытия гамма-квантами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
способ получения износостойкого покрытия для рабочего органа почвообрабатывающей машины, включающий облучение исходного материала гамма-квантами интегральной дозой 5-100 кГр перед наплавкой на поверхность;
математические модели процессов взаимодействия отдельных порошковых компонентов из сплава для наплавки с гамма-квантами;
зависимость износостойкости покрытия от режимов облучения исходного материала;
результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, подтверждающие теоретические положения.
Состояние исследований по изучаемой проблеме
Трение и, связанное с ним изнашивание металлических конструкций -наиболее старые проблемы сельскохозяйственной техники, не потерявшие-своей актуальности и( сейчас. Большой вклад в развитие данного направления науки внесли такие учёные как Бабичев М.А., Гринберг Э.Г., Крагельский И.В., Костецкий Б.И., Лившиц Л.С., Львов И.Н., Рабинович А.Ш., Розенберг Е.М., СевернеВі М.М1, Сафонов В.В., Ткачёв В.Н., Тененбаум М.М., Хрущёв М.М., Цыпин Н.В. и др. [49,60,66]. По мнению«специалистов, абразивный износ металлических поверхностей связан как с многообразием микроскопических механизмов изнашивания, так и с большим числом факторов, влияющих на каждый из механизмов [42]. В- общем случае процессы, происходящие при контактном взаимодействии двух проскальзывающих поверхностей, являются предметами изучения механики, физики и химии, в том числе, механики упругопластического тела и колебаний, гидро- и аэродинамики, электродинамики, химии в неравновесных условиях и в твердой фазе, термодинамики, физического материаловедения т.д. [65].
Сейчас хорошо известно, что процессы пластичности и разрушения многомасштабны [65]. Причём, события на разных масштабных уровнях взаимосвязаны. Поэтому адекватную оценку абразивного износа культиваторной лапы с биметаллической рабочей частью можно получить только из многомасштабных моделей.
По методам исследования можно выделить следующие характерные масштабные уровни [65]: 1 Микроскопический, включающий а) атомный а а (точечные дефекты); б) дислокационный, с характерными размерами ld i=- гДе Р - плотность дислокаций. При р w 10 ...10 м ", d « 10" ...10" м-= 30...300 А. Основной метод исследований на этом уровне - рассмотрение дефектов, как. квазичастиц (возбуждений), движущихся в неподвижной среде - идеальном кристалле. 7 (л 2 Мезоскопический — с размерами 1т = 10" ... 3x10" м = 0,1...3 мкм. В объёме т3 содержится уже достаточно много дефектов, чтобы их поведение было аддитивным; т.е. чтобы-кооперативные эффекты в их системах выходил» на первое место; С другой стороны, размеры 1т ещё столь» малы, что не позволяют использовать для описания методы сплошной среды из-за-больших значений как флуктуации плотности дефектов, так и их градиентов, связанных с кооперативными эффектами. 3 К мезоскопическому уровню по свойствам, примыкает фрагментарный уровень /г&З...Шт, обусловленный кооперативными эффектами в системах мезообъёмов. Эффекты мезо- и фрагментарного уровней играют основную роль в образовании диссипативных структур поверхностных слоев при трении. 4 Структурные уровни [іи) — охватывают интервалы размеров характерных исходных структур - выделений фаз, размеров зёрен и их комплексов. Обычно 7 Ч ,«3x10" ...10" м. В процессах контактных взаимодействий и больших локальных деформаций эффекты, связанные с поликристалличностью; играют относительно меньшую роль, а обусловленные фазовой структурой изучались только на макроуровне (например, через влияние на микротвёрдость). 5 Макроуровень с т Ш$п т.е. с т = 10"5—10"2 м, на котором возможно усреднение по основным неоднородностям и, следовательно, описание методами упруго-пластической среды.
Из приведённых масштабных уровней микроскопические эффекты исследованы меньше всего. К эффектам атомного масштаба следует отнести типы межатомных связей, их распределение в пространстве и степень насыщенности. Они определяют возможность перехода в ультрадисперсное или аморфное состояние поверхностных слоев, возможности восстановления разрывов сплошности, налипания частиц износа и ряд химических эффектов (образование новых фаз и др.).
Таким образом, конструктивную прочность металлов и сплавов, как уже теперь известно, следует рассматривать в связи с изменением их структуры. Изменение структуры конструкционного материала главным образом выражается в его пластической деформации, а комплекс свойств определяется сопротивлением или способностью деформироваться [65].
Факторы, определяющие результат облучения
Из анализа первой главы настоящей работы следует, что макроскопические свойства порошковых покрытий (сплавов) определяются качеством исходного сырья, определяющими критериями которого являются размер частиц и правильное соотношение между ними. Лучшие результаты получаются из порошков мелкозернистого состава. Также было установлено, что модификация микроструктуры сплава может существенно изменить его физико-химические и механические свойства. На формирование микроструктуры сплава из порошка, помимо его химического состава (вариации которого себя исчерпали), существенное влияние оказывает отягощённость материала покрытия посторонними примесями. Известно, что количество примесей, располагающихся по границам зёрен и вызывающих межзёренное разрушение, должно быть минимальным. Таким образом, комплекс мер, преследующих своей целью улучшение уже существующих свойств порошковых компонентов из сплава для наплавки или создания новых, должен быть направлен на создание таких способов их обработки, при которых бы обеспечивались заявленные качества.
Микроструктурные свойства частиц материала покрытия заложены на атомарном уровне, а поэтому их целенаправленное изменение возможно путём создания таких условий, при которых происходило бы переупорядочение атомов в их структуре, т.е. создание новых фаз и соединений, имеющих уникальные свойства. Как известно, для формирования любой неравновесной фазы или соединения в многокомпонентных системах необходимо выполнение двух условий [55]: - перемешивание компонентов в зоне формирования фазы; - создание условий для образования этих фаз.
Экспериментально і доказано, что для смещения атомов в структуре вещества требуется энергия больше 25 эВ [14, 61], что предполагает наличие внешнего источника энергии, позволяющего ионизировать его атомы. Изучение физических свойств металлических систем и их изменение в процессе облученияі [53, 54, 83, 84] показало; что воздействие ионизирующего излучения- стимулирует в кристаллических структурах процессы, связанные с диффузией и накоплением части энергии излучения [52 - 54, 57, 73, 75, 76, 79 - 82, 96, 111]. Следовательно, обработка порошковых компонентов, например, из сплава сормайт, основой которой» являются частицы железа и хрома, ионизирующим излучением создаёт предпосылки для формирования, новых фаз и соединений в структуре частиц.
Наведённые посредством облучения дефекты (изменения) в атомарных объёмах частиц наплавочного материала могут по-разному отразиться как нашего свойствах, так и на свойствах покрытия, полученного на его основе: Поэтому определение необходимых и достаточных с точки зрения безопасности процесса электрофизических параметров облучения (вид, энергия, доза) материала покрытия будет являться основойрешения настоящей работы.
Поскольку задачи настоящей работы предполагают использование энергии ионизирующего излучения в технологическом процессе получения покрытия рабочего органа (культиваторной лапы), то для определения факторов, влияющих на достижение поставленных задач, необходимо провести анализ по вопросам применения различных видов«излучений и-их влиянияїна свойства обрабатываемых материалов.
Действие излучения на материалы серьёзно не изучали до пуска первого ядерного реактора. Первые замеченные следствия действия излучения были вредными для изучаемых материалов, и они получили название радиационных повреждений. Этот термин, к сожалению, был принят и применяется во многих случаях, хотя часто излучение не вызывает явных повреждений в материалах [61]. Эти эффекты могут быть результатом прохождения любых частиц высокой энергии и определённой массы через вещество. В таблице 2.1 приведены основные волновые (длина волны, частота колебаний) и квантовые (энергия и масса кванта - частицы) характеристики электромагнитных и корпускулярных излучений [25].
Технология изготовления культиваторных лап с биметаллической рабочей частью на основе порошка из сплава для наплавки
В целом комплекс ускорителя «Электроника» ЭЛУ-4 представляет собой многокомпонентный ускорительный комплект, предназначенный для получения потока релятивистских электронов с номинальной энергией 4 МэВ (рисунок 3.8). 1 - пульт управления ускорителем; 2 - осциллограф; 3 - частотомер; 4 - импульсный модулятор; 5 - генераторный блок; 6 - волноводный тракт; 7 - ускорительный блок; 8 - стойка питания и регулирования; 9 - генератор импульсов; 10 - пульт управления фазовращателем
Сигнал от задающего генератора подаётся на модулятор, который вырабатывает высоковольтные импульсы отрицательной полярности длительностью 4,5 ± 0,5 мкс и с частотой следования 200 - 250 Гц, определяемой задающим генератором. Высоковольтный импульс по кабелю передаётся на СВЧ генератор, входящий в состав генераторного блока.
Генератор вырабатывает электромагнитные СВЧ колебания, которые по волноводному тракту поступают в ускоряющий волновод ускорительного блока. Одновременно подаётся импульс на инжектор ускорительного блока (элект 60 рический инжектор включается параллельно генератору).
Электронный поток инжектора вводится в ускоряющий волновод, где в результате взаимодействия с электромагнитной волной электроны группируются в сгустки и ускоряются до заданной энергии.
Ускоренные сгустки поступают в отклоняющую систему развёртки и выводятся из ускорительного блока через металлическую фольгу. Питание электротехнических цепей ускорительного и генераторного блоков и волноводного тракта осуществляется от стойки питания и регулирования. Управление работой комплекса, контроль и измерение его основных параметров ведётся с пульта управления ускорителем (ГТУУ) (рисунок 3.9). Для просмотра формы импульсов и измерения частоты электромагнитных колебаний к ПУУ подключается осциллограф и частотомер. Пульт управления комплекса ускорителя «Электроника» ЭЛУ - 4
Пульт управления позволяет управлять ускорителем или его отдельными блоками в режиме реального времени посредством видеоконтроля.
Комплекс ускорителя «Электроника» ЭЛУ-4 обеспечивает возможность получения пучка ускоренных электронов большой мощности при выбранной энергии, регулирования тока и энергии в широких пределах, а также получения с помощью ускоренных электронов тормозных гамма-квантов за счёт использования специальных мишеней (вольфрамовых или молибденовых) [24].
Важнейшим преимуществом линейных ускорителей (в частности, комплекса ускорителя «Электроника» ЭЛУ-4) перед ускорителями прямого действия и циклическими ускорителями являются эргономичность и сравнительно небольшие габариты конструкции, а следовательно, и меньшие капитальные вложения в инфраструктуру их строительства и последующую эксплуатацию.
Методика облучения материала покрытия
Настоящая методика проведения облучения была спланирована с учётом возможности использования её в конкретной промышленной технологии. Согласно цели настоящей работы и п. 3.2 настоящей главы, для облучения материала покрытия необходима генерация гамма-квантов посредством линейного ускорителя. Генерацию гамма-квантов возможно обеспечить вольфрамовой пластиной (рисунок 3.10) путём торможения на её поверхности ускоренных электронов от ЭЛУ-4. В этом случае вольфрамовую пластину следует установить перед выходным окном ускорителя (рисунок 3.11). V, выход воды і / ] вход воды 1 - прижимное кольцо; 2 - прокладки; 3 - вольфрамовая пластина; 4- медный корпус Рисунок 3.10 - Конструкция мишени для генерации гамма-квантов
Вольфрамовая пластина гарантирует сохранение энергии электронов и обеспечивает дополнительную фокусировку пучка при движении гамма-квантов в воздухе. Таким образом, центр пластины в этом случае может быть принят за начало отсчёта распределения поля излучения (рассеянных на определённый угол гамма-квантов). столик (поворотный); 2 - порошок сормайта в полиэтиленовом пакете; 3 - источник тормозных гамма-квантов (вольфрамовая пластина); 4 - выходное окно ускорителя
Технологическая схема облучения материала покрытия
Распределением поля ионизирующего излучения по шаровой пространственной поверхности S можно пренебречь и считать её неизменной в телесном угле 0 - 60 [24] (рисунок 3.12). - выходное окно ускорителя; 2 - источник тормозных гамма-квантов Рисунок 3.12 - Схема распределения поля излучения
В связи с эмпирическим подбором дозы облучения, материал покрытия был разделён на партии (с соответствующими идентификационными номерами) и помещён в полиэтиленовые пакеты по 0,4 кг в каждый. Количество обработанных партий - 7. Контрольная партия (0) облучению не подвергалась. Для обеспечения равномерного облучения пакеты с порошком используемого сплава выставляли на расстоянии 300 мм от выходного окна ускорителя на неподвижный штатив. Применительно к промышленным условиям производства облучаемые образцы могут также устанавливаться на специальные лотки карусельного устройства (рисунок 3.13).
Температура окружающей среды в процессе облучения составляла +21 С. Доза облучения определялась воздухоэквивалентной ионизационной камерой VA-K-252.2, работающей совместно с дозиметрическим прибором VA-J-18, и составляла 5-100 кГр. Интегральная доза облучения каждой партии составляла 555,5 рад/с.
Эксперимент по облучению проводился в Лаборатории радиационной физики НИИ ЭТФ Казахского национального университета им. аль-Фараби (г. Алматы, республика Казахстан, приложение В). Все процессы, связанные с облучением материала покрытия, проводились в строгом соответствии с техникой безопасности и правилами работы с ионизирующими установками.
