Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы восстановления деталей машин в современных условиях 12
1.1. Трение в соединениях и применение покрытий как способа улучшения
эксплуатационных свойств новых и восстановленных деталей машин 12
1.2. Восстановление деталей машин в промышленно развитых странах 29
Выводы. Цель и задачи исследования 38
Глава 2. Теоретические основы проектирования технологических процессов восстановления деталей электроконтактной приваркой порошковых материалов 42
2.1. Основы получения спеченных лент электроконтактной прокаткой 42
2.2. Основы получения порошковополимерных лент методом прокатки 57
2.3. Состояние связующего материала при электроконтактной приварке 62
2.4. Влияние магнитного поля при электроконтактной приварке на ферромагнитные порошки при их свободной подаче
2.4.1. Влияние магнитного поля роликового электрода 70
2.4.2. Влияние магнитного поля детали 83
2.4.3. Совместное влияние магнитного поля роликового электрода и детали на ферромагнитную частицу порошка 93
2.5. Особенности электроконтактной приварки порошка сформированного на металлической сетке 103
2.6. Расчет плотности приваренного порошка предварительно напеченного на стальную проволоку 112
Выводы по теоретическим исследованиям 118
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 121
3.1. Программа исследований и статистическая обработка результатов 121
3.2. Методика определения технологических свойств металлических порошков 123
3.3. Методика определения основных технологических свойств армированных порошковополимерных и спеченных лент 125
3.4. Методика измерения прочности сцепления порошкового покрытия с основным металлом детали 131
3.5. Методика оценки прочности сцепления порошковых композиций с неметаллическими компонентами 134
3.6. Методика определения износостойкости порошковых покрытий 136
3.7. Методика оценки характера изнашивания порошкового покрытия 139
3.8. Методика измерения пористости покрытий 141
3.9. Методика исследования макро- и микроструктуры
3.10. Методика проведения усталостных испытаний 144
3.11. Методика определения контактной прочности покрытия
3.12. Методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое восстановленных деталей 147
3.13. Методика определения ударной вязкости образцов с покрытием 153
3.14. Методика проведения эксплуатационных испытаний 154
Глава 4. Способы электроконтактной приварки порошков 162
4.1. Способы приварки порошков со свободной подачей или размещением
на поверхности детали 163
4.2. Способы приварки порошков с принудительной подачей 174
4.3. Способы приварки порошков в различных оболочках 177
4.4. Способы приварки порошков сформированных в ленту или проволоку 187
4.5. Способы приварки порошков закрепленных на поверхности детали 207
4.6. Способы приварки порошков в магнитном поле 212
4.7. Способы приварки порошка, находящегося в псевдоожиженном состоянии 216
Выводы по способам электроконтактной приварки порошков 218
Глава 5. Исследование технологических свойств присадочных порошковых материалов, структуры и свойств порошковых покрытий 220
5.1. Влияние геометрии рабочей поверхности роликового электрода на формирование порошкового покрытия 220
5.2. Технологические свойства армированных спеченных и порошковопо-лимерных лент 223
5.3. Влияние состава порошковой композиции, состояния детали и режима электроконтактной приварки на прочность сцепления покрытия с основным металлом детали 232
5.3.1. Влияние антифрикционных присадок на прочность сцепления 232
5.3.2. Прочность сцепления покрытий, полученных электроконтактной приваркой одно- и двухслойных спеченных лент 235
5.3.3. Влияние неметаллических компонентов в присадочном материале на прочность сцепления 240
5.4. Твердость покрытий полученных электроконтактной приваркой стальных лент и порошковых материалов 244
5.5. Триботехнические характеристики порошковых покрытий, полученных электроконтактной приваркой 251
5.5.1. Твердые покрытия 251
5.5.2. Антифрикционные покрытия 254
5.5.3. Комбинированные покрытия 258
5.6. Микротвердость порошковых покрытий, полученных электроконтакт ной приваркой 261
5.7. Исследование остаточных напряжений в порошковых покрытиях 264
5.8. Влияние вида и состава присадочного материала на сопротивление усталости деталей, восстановленных электроконтактной приваркой
5.8.1. Сопротивление усталости деталей, восстановленных электроконтактной приваркой стальной ленты и проволоки 272
5.8.2. Сопротивление усталости деталей, восстановленных электрокон 5
тактной приваркой порошковых композиций 276
5.8.3. Методы повышения сопротивления усталости деталей, восстанов ленных электроконтактной приваркой 280
5.9. Влияние режимов электроконтактной приварки, вида и состава приса дочного материала на контактную прочность покрытий 286
5.10. Исследование структуры 291
5.10.1. Микроструктура твердых покрытий, полученных электроконтактной приваркой порошковых материалов 293
5.10.2. Микроструктура покрытий, полученных электроконтактной приваркой порошковых материалов с металлической сеткой 295
5.10.3. Микроструктура покрытий, полученных электроконтактной приваркой порошковополимерных лент с антифрикционными присадками 298
5.10.4. Макроструктура поверхности покрытий, полученных электроконтактной приваркой спеченных лент 300
5.10.5. Микроструктура покрытий, полученных электроконтактной приваркой присадочных материалов через промежуточный слой
5.11. Ударная вязкость образцов с покрытием, полученным электроконтактной приваркой порошковых материалов 308
5.12. Результаты эксплуатационных испытаний 313
Выводы по результатам экспериментальных исследований 319
Глава 6. Внедрение результатов исследований в производство и их технико-экономическая оценка 323
6.1. Внедрение результатов исследований в производство 323
6.2. Технико-экономическая эффективность разработанных технологических процессов восстановления деталей электроконтактной приваркой порошковых композиций 328
Общие выводы 337
Библиографический список
- Восстановление деталей машин в промышленно развитых странах 29
- Влияние магнитного поля при электроконтактной приварке на ферромагнитные порошки при их свободной подаче
- Методика измерения прочности сцепления порошкового покрытия с основным металлом детали
- Способы приварки порошков с принудительной подачей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основным условием эффективного использования любой техники является поддержание ее в постоянном работоспособном состоянии путем технически грамотного обслуживания и ремонта. При ремонте зачастую изношенные детали выбраковывают, что приводит к увеличению себестоимости ремонта, при этом восстановление изношенных деталей не только экономически целесообразно, но и жизненно необходимо, так как при этом максимально используется ранее произведенный металл, что позволяет экономить материальные и энергетические ресурсы, а также затраты труда, при этом необходимо подчеркнуть, что высокая экономическая эффективность достигается при восстановлении дорогостоящих деталей дорожно-строительной техники, грузовых автомобилей и сельскохозяйственных машин.
Среди многочисленных способов восстановления выделяется способ электроконтактной приварки (ЭКП). Данный способ обладает высокой производительностью процесса, отсутствием нагрева и деформации детали, малой глубиной зоны термического влияния, закалкой покрытия непосредственно в процессе приварки и экологичностью процесса. Несмотря на давнюю известность способа, возможности его далеко не исчерпаны, особенно при использовании в качестве присадочного материала металлических порошков, которые позволяют формировать требуемую структуру привариваемого материала, и тем самым, сделать управляемым процесс получения заданных физико-механических свойств наносимого покрытия. Однако использование порошковых материалов при ЭКП имеет ряд трудностей. В первую очередь, это потери дорогостоящего порошка при приварке, регулирование толщины покрытия в зависимости от величины износа, трудности использования смеси порошков, обеспечение высокой прочности сцепления трудносвариваемых порошков. Остаются малоизученными вопросы контактной прочности покрытий и сопротивления усталости деталей, восстановленных ЭКП порошковых материалов. Кроме того, остается не изученным вопрос влияния магнитного поля ЭКП на ферромагнитные частицы порошка, решение которого позволило бы уменьшить потери порошка путем расчета оптимального положения сопла выходного канала бункера-дозатора.
В связи с этим весьма актуальным является обеспечение высокой технологичности процесса ЭКП порошковых материалов и улучшение эксплуатационных показателей восстановленных деталей на основе научно обоснованных ресурсосберегающих технологий, материалов и устройств.
Цель работы. Повышение эффективности технологии и качественных показателей восстановленных деталей путем развития теоретических основ электроконтактной приварки порошковых присадочных материалов и совершенствования технологического процесса.
Объект исследования. Технология и оборудование для восстановления изношенных деталей электроконтактной приваркой порошковых материалов.
Предмет исследования. Новые способы электроконтактной приварки порошковых материалов, позволяющие повысить эффективность технологии и качественные показатели восстановленных деталей.
Научную новизну исследований составляют:
- методика определения зоны спекания, позволяющая назначать режимы формирования армированных спеченных лент методом электроконтактной прокатки;
- модель термического цикла в полимерной частице, позволяющая прогнозировать состояние связующего полимера при ЭКП;
- аналитические выражения для расчета магнитного поля проводника сложной формы, используемые для расчета магнитной силы притяжения ферромагнитной частицы порошка при ЭКП;
- модель уплотнения порошкового материала при ЭКП армированных порошковополимерных и спеченных лент, устанавливающая связь между плотностью покрытия и параметрами армирующей сетки;
- зависимость качественных показателей восстановленной детали (прочность сцепления, контактная прочность, износостойкость, ударная вязкость, сопротивление усталости) от состава порошкового материала и вида присадочного материала.
Положения, выносимые на защиту:
1. Теоретическое обоснование влияния магнитного поля электроконтактной приварки на ферромагнитные частицы порошка.
2. Оценка закономерности распределения плотности порошкового покрытия в зависимости от параметров армирующей сетки порошковополимерных и спеченных лент.
3. Теоретическое обоснование и экспериментальная оценка процесса изготовления армированных спеченных и порошковополимерных лент и качественных показателей восстановленных деталей.
4. Техническое обоснование устройств, новых способов ЭКП и составов порошковых композиций, повышающих качественные показатели восстановленных деталей.
5. Технологическое обоснование режимов ЭКП порошковых материалов, позволяющие формировать в покрытиях заданные свойства при восстановлении деталей в производственных условиях.
Практическая значимость и реализация результатов исследования.
Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы на 2008…2013 г.г. «Разработка технологии восстановления и упрочнения изношенных деталей машин», зарегистрированной Всероссийским научно-техническим информационным центром под номером 0120.0 950313.
Практическую ценность представляют:
- новые способы ЭКП порошковых материалов (патенты 2307010, 2312746, 2322333, 2367548, 2361706);
- оборудование и технологическая оснастка для изготовления армированных порошковополимерных, одно- и двухслойных спеченных лент;
- способы и средства для повышения прочности сцепления порошкового покрытия с основным металлом (патенты 2315684, 2361707);
- новые устройства и технологическая оснастка для ЭКП порошковых материалов (патенты 2299795, 69441, 68945, 75737, 75600, 2342237, 2340432, 2340433, 2342233, 2343053, 2342234, 2341360);
- новые связующие материалы, улучшающие технологичность порошковых материалов при ЭКП (патенты 2350447, 2360776);
- технологические рекомендации по ЭКП порошковых материалов для восстановления изношенных деталей в зависимости от величины износа и вида трения.
Оборудование и разработанные технологии внедрены на предприятиях Республики Башкортостан: в ОАО «Прогресс» Альшеевского района; в Чишминской райсельхозтехнике; в Илишевском РТП; в автотранспортном предприятии АТБ № 1 г. Уфы; в ООО Регион-Уфа; в ГУСП МТС «Башкирская»; в ООО «Ремтехсервис» Стерлибашевского района; в ООО «Ресурсэнерго» Стерлитамакского района; на научно-производственном участке кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», а также в других регионах: в МП треста «Электротранспорт» г. Магнитогорска; в ООО «Ресурс», г. Саранска. Разработанные рекомендации по технологии ремонта агрегатов сельскохозяйственной техники с использованием методов электроконтактной приварки порошковых материалов внедрены в учебный процесс 17 ВУЗов и рекомендованы министерствами сельского хозяйства Республики Башкортостан, Марий Эл, Мордовии, Оренбургской и Ульяновской областей к внедрению в организациях АПК.
Апробация. Основные результаты исследований доложены:
- на международных конференциях: «Новые методы ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственных машин» (г. Саранск, 2001 г.); «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (г. Уфа, 2002 г.); «Современные материалы и технологии» (г. Пенза, 2002 г.); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (г. Уфа, 2003 г.); «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2004 г.); «Современные тенденции развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, 2005 г.); «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2008 г.); «Достижения науки – агропромышленному производству» (г. Челябинск, 2002, 2009 гг.); «Развитие АПК России в системе развивающихся межотраслевых и международных отношений» (Санкт-Петербург, 2009 г.).
- на Всероссийских конференциях и семинарах: «Состояние и перспективы восстановления, упрочнения и изготовления деталей» (г. Москва, 1999 г.); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2003 г.); «Пути повышения эффективности функционирования механических и энергетических систем в АПК» (г. Саранск, 2003 г.); «Сварка, Контроль, Реновация» (г. Уфа, 2004, 2008 гг.); «Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса» (г. Уфа, 2005 г.); «Перспективы агропромышленного производства регионов России в условиях реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (г. Уфа, 2006 г.); «Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения» (г. Уфа, 2008 г.).
Технологии и установки экспонировались на международных специализированных выставках Агро-2002, АгроКомплекс-2005, Агрокопмлекс-2010 (г. Уфа), Золотая осень-2009 (г. Москва) где были удостоены дипломами.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 112 печатных работах, в том числе в одной монографии и 40 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК; получено 25 патентов, 1 положительное решение на выдачу патента и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 359 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы, 237 рисунков. Список литературы включает 234 наименования.
Автор выражает искреннюю признательность профессору Левину Э.Л. за оказанную помощь и ценные замечания в подготовке данной работы.
Восстановление деталей машин в промышленно развитых странах 29
В настоящее время существует ошибочное мнение, что восстановление изношенных деталей в промышленно развитых странах не развито, а ремонт машин ведется с использованием новых запасных частей. Однако, обзор печатных и электронных изданий данное мнение опровергает [62-72].
Расширение номенклатуры восстанавливаемых деталей - одна из важных проблем, которую успешно решают фирмы многих стран, производящих сельскохозяйственную, дорожно-строительную технику и грузовые автомобили. Так, на одном из крупных предприятий компании «Caterpillar» создан специализированный участок для восстановления наплавкой ходовой части гусеничных тракторов. На нем ежегодно восстанавливают более 1500 полотен гусениц. Здесь же организовано восстановление поддерживающих роликов. Дилер выдает гарантию на восстановление детали с ресурсом, как у новой. В г. Чикаго создан специализированный завод фирмы «International Harvester» для восстановления деталей и узлов тракторов. На нем работают всего 200 человек. В цехе на самостоятельных рольганговых линиях восстанавливают детали более 10 узлов, в том числе ежегодно ремонтируют свыше 2 тыс. двигателей, 33 тыс. карбюраторов, 25 тыс. сцеплений, 20 тыс. водяных насосов и т.д. Кроме того, дополнительно восстанавливает 3 тыс. коленчатых валов и другие детали. Ресурс узлов и деталей, восстановленных на заводе, равен ресурсу новых, а стоимость восстановления составляет 20... 25% стоимости изготовления. Отпускная цена восстановленных узлов и деталей составляет в среднем около 80% цены новых [72].
Большое значение в США придается восстановлению дорогостоящих металлоемких деталей, таких как катки, звенья гусениц, направляющие колеса, картеры, блоки двигателей, коленчатые валы и др. Фирмы на своих заводах создают специализированные участки с поточными линиями для восстановления изношенных деталей. Эти работы проводят также дилерские компании и небольшие узкоспециализированные фирмы, занимающиеся восстановлением двух-трех наименований деталей [64].
Судя по имеющейся информации, в США не применяется полнокомплектный ремонт автомобилей, а сам объем ремонтных работ относительно профилактических незначителен. Так, при парке в 178 млн. автомобилей ежегодно устанавливается около 1 млн. новых и 1,8 млн. отремонтированных двигателей. Эти работы главным образом (соответственно 41 и 54%) выполняются ремонтными мастерскими. К другим наиболее заметным и сложным работам следует отнести ремонт автоматических коробок передач (2,6 млн. в год), выполняемый в основном дилерами (46%), связанными с промышленностью, ремонт генератора и стартера. Главное внимание уделяется восстановлению деталей, а также капитальному ремонту некоторых основных агрегатов. Эти работы выполняются как специализированными мастерскими, так и филиалами, организованными автомобильной промышленностью. При ремонте и восстановлении деталей, как правило, выдерживаются технические условия новых изделий, и дается гарантия. Так, ремонтный филиал Caterpillar Factory Remance восстанавливает значительный перечень деталей для производимых фирмой двигателей [62].
При ремонте учитывается модернизация, производимая заводом-изготовителем. Сбор ремонтного фонда и поставка отремонтированных изделий производятся 2,5 тыс. представителями в США и Канаде и 3,5 тыс. представителями фирмы в других странах мира. Фирма Continental Rebuilders and Servies производит ремонт двигателей, коробок передач и задних мостов. При направлении агрегатов в ремонт транспортные компании руководствуются данными по отказам, расходам на запасные части по конкретному агрегату («maintenance history») и результатами анализа масла. Фирма применяет индивидуальный ремонт: работы по каждому двигателю от разборки до динамометрических испытаний производятся одним рабочим, фамилия которого вносится в паспорт отремонтированного двигателя. При этом число отказов по вине рабочего сокращается до 1%.
Фирма «Arrow HD», существующая более 50 лет, специализируется на ремонте агрегатов электрооборудования, сцеплений и водяных насосов. Для отремонтированной продукции дается гарантия 160 тыс. км или 6 мес.
Фирма «Metalock» производит в год 1000 ремонтов блоков и головок. Восстановление производится по заводским спецификациям и гарантируется надежность не ниже, чем у новых изделий.
Компания «Overland Mechanical Handling» производит ежемесячно 2 «полных» капитальных ремонта автомобилей и автопоездов. При полном ремонте гарантируется качество «как нового» и дается гарантия на 6 мес. Трудоемкость полного ремонта 300 чел.-ч, а отпускная цена составляет 60% от стоимости нового изделия [62].
По данным [63] за рубежом большое значение придается восстановлению таких дорогостоящих, металлоемких массовых деталей, как катки, звенья гусениц, направляющие колеса, блоки цилиндров двигателей, коленчатые валы и др. Восстановление деталей характеризуется достаточно высоким техническим уровнем применяемого технологического оборудования (высокоточные станки с программным управлением, автоматизация процессов восстановления и контроля) и качеством материалов, используемых для нанесения покрытий. Это обеспечивает высокое качество восстановления, что позволяет фирмам нести полную ответственность за нормальную эксплуатацию машин и оборудования, укомплектованных восстановленными деталями, выдерживать конкурентную борьбу на рынках сбыта продукции. Восстановление деталей считается экономически выгодным во многих отраслях развитых стран. Так, на металлургическом заводе фирмы «Von Roll» на протяжении 15 лет успешно восстанавливают детали металлургического оборудования.
Влияние магнитного поля при электроконтактной приварке на ферромагнитные порошки при их свободной подаче
Исследование изменения состояния связующего материала при ЭКП имеет актуальное значение в связи с многочисленностью способов ЭКП порошков, использующих связующий полимер (глава 4), а также с возможностью создания композиционных покрытий с присадками антифрикционных полимеров.
В работах [52, 100], где в качестве присадочного материала при восстановлении изношенных деталей ЭКП применялась порошковополимерная лента и предполагалось, что связующий полимер выгорает при ЭКП. На первый взгляд это предположение не требует доказательства, ведь температура в зоне приварки может достигать 1400 и более С, но вследствие высоких скоростей нагрева (порядка 10000...50000 С/сек., [101, 102] и охлаждения, а также низкой теплопроводности полимера - это утверждение может оказаться ошибочным при некоторых режимах ЭКП.
При электроконтактной приварке порошков со связующим полимером в зоне контакта, вероятно, происходит следующее. Вследствие отсутствия электропроводимости у полимера линии электрического тока будут огибать его и проходить через металлические частицы, в местах контакта которых и выделяется максимальное количество теплоты, поэтому концентраторы энергии находятся вне контакта полимера с металлом. Необходимо также учесть, что снижению эффективности теплообмена между металлическими частицами и полимером способствует выделение газообразных продуктов разложения полимера, когда его поверхность достигает температуры начала термоокислительной деструкции.
Для расчета состояния связующего полимера при ЭКП необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности. В качестве модели частицы связующего полимера принимаем сферу. При нагревании полимерной частицы тепловой поток направлен к центру, а после прекращения импульса тока, во время паузы, происходит интенсивное охлаждение, в период которого тепловой поток направлен от центра частицы, т.е. во время паузы наиболее нагретые участки полимерной частицы (у периферии) не оказывают существенного влияния на дальнейшее разложение полимера. Следовательно, можно анализировать изменение состояния полимерной частицы только во время импульса тока.
Для определения распределения температуры внутри частицы в любой момент времени необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности [103]. дЦг,т) = а(д2Т(г,т) 2дТ(г,т) дт дг1 г дг (2.3.1) т 0, 0 r R при условиях: T(r,0) = TQ- const, дТ(0,т)_0 dr Т(0,т)Фоэ A=—Д- оо Я T(R,r) = Tc+br Второе условие - это условие симметрии, т.е. нагревание происходит равномерно, так что изотермы внутри шара представляют собой концентрические сферы и поэтому температура зависит только от радиус вектора г и времени т. Четвертое условие означает, что нагревание полимерной частицы происходит путем контактирования с металлическими частицами, т.е. температура поверхности полимерной частицы равна температуре окружающей среды. Используя данные работы [103], можно записать соотношение для температуры внутри полимерной частицы при условии, что температура среды линейная функция времени Г(г,г) = Го(0 + 1) {232) где = R 1 И Я" Г7ГП Pd (2.3.3) где FQ = ат/R - число Фурье; Pd = bR /аТ0 - критерий Предводителева; R, г радиус полимерной частицы соответственно до и после приварки, м; То - начальная температура полимерной частицы, С; т - время, с; а - температуропроводность, м /с.
В данной модели не учитывается тепловое влияние предыдущих импульсов тока, что оправдано при большой продолжительности паузы при ЭКП и обильном охлаждении зоны приварки. Кроме того, согласно исследованиям [104], например, при ЭКП проволоки в структуре тепловых вложений в одну приваренную точку, тепловой вклад непосредственного источника со 65 ставляет примерно 89%, вклад соседнего источника - 9%, следующего 1,5%, при угловом расстоянии между названными источниками «12.
Выражение (2.3.3) является быстросходящимся рядом и поэтому для практических расчетов достаточно ограничиться некоторым конечным числом п, например, при (aVR2) 0,3 достаточно ограничиться первым членом (ошибка не превышает 1%).
Для расчета температуры связующего полимера принимаем следующие исходные данные. Начальную температуру частицы принимаем выше температуры окружающей среды (50С) вследствие теплового влияния предыдущих импульсов тока. Полимерные частицы, например, из поливинилхлорида имеют размеры от 0,05 до 0,30 мм. Наиболее характерные температуры при ЭКП в зоне контакта 800...1200С. Приварка велась при величине тока 4,6...5,1 кА. Диаметр образца составлял 50 мм, частота оборотов шпинделя установки - 2 мин 1, толщина порошкового слоя перед приваркой - 1,1 мм.
Результаты анализа уравнения (2.3.2) показывают, что на распределение температуры в полимерной частице наиболее сильное влияние оказывает ее линейная (R) и теплофизическая (а) характеристика, а также время нагревания (г).
Выяснилось, что если максимальная температура в зоне контакта будет не более 800 С и продолжительность импульсов тока составит 0,02 с, то после приварки порошкового слоя со связующим полимером из поливинилхлорида могут сохраниться частицы полимера, имеющие первоначальный диаметр не менее 0,28 мм, причем после ЭКП диаметр этих частиц не превысит одной трети от первоначального.
Микроструктурный анализ на изломах покрытий из ППЛ, полученных на вышеуказанных режимах приварки выявил сохранение не более 5 % от первоначального объема полимерных частиц и их размеры не превышали в среднем 0,06 мм, т.е. данные математического расчета хорошо согласуются с результатами структурных исследований покрытия.
Покрытия, полученные на вышеуказанных режимах ЭКП, имели невысокую прочность сцепления с основным металлом детали, что объясняется в первую очередь небольшой величиной тока сварки и продолжительностью импульса тока и, делает их неприменимыми для восстановления автотракторных деталей. Увеличение продолжительности импульса тока согласно расчету вызывает полное выгорание полимерных частиц из поливинилбу-тираля и поливинилхлорида при ЭКП. Данный факт подтвердился и в результате микроструктурного исследования.
Изменение температуры в центре полимерной частицы (ПВХ) в зависимости от продолжительности импульса тока и температуры в зоне контакта согласно формуле (2.3.2) можно представить графиком, рисунок 2.3.1.
Если при использовании в качестве связующего полимера поливинибу-тираль и поливинилхлорид невозможно получить покрытие с достаточной прочностью сцепления с сохранением полимерных частиц, то, например, при использовании такого антифрикционного полимера, как политетрафторэтилен, у которого температура термоокислительной деструкции составляет 425С, толщина проплавленного слоя у полимерной частицы может составлять менее половины первоначального радиуса частицы, при условии, что температура в зоне контакта может превышать 1000С, продолжительность импульса тока составлять 0,06 с, а величина тока 5,8 кА. Данные режимы ЭКП обеспечивают достаточную прочность сцепления, что свидетельствует о возможности получения металлополимерных покрытий антифрикционного назначения из дисперсных материалов методом электроконтактной приварки. В данной работе влияние полимерного связующего на антифрикционные свойства покрытия не изучалось, т.к. приварка велась на жестких режимах, т.е. при полном выгорании частиц полимера. Исследование же более термостойких полимеров, использующихся одновременно как связующее и антифрикционная присадка, для сохранения полимерных частиц после ЭКП, например, политетрафторэтилен, не являлось целью данной работы и это может служить основой для самостоятельного исследования.
Методика измерения прочности сцепления порошкового покрытия с основным металлом детали
Для экспериментальной проверки полученных формул по определению магнитной силы притяжения, действующей на ферромагнитную частицу со стороны двух роликовых электродов, были проведены эксперименты по схеме на рисунках 2.4.20 и 2.4.21. В данном случае ток проходил по двум роликовым электродам, а стальной закаленный шарик подвешивался на нити таким образом, чтобы горизонтальная ось совпадала с центром шарика во время максимального притяжения к зоне контакта двух роликовых электродов. Так как использовались одинаковые роликовые электроды, то и равнодействующая сила направлена в точку их касания. Во время экспериментов изменялось расстояние 3/, при котором измерялась магнитная сила притяжения динамометром типа ДПН. В качестве роликовых электродов использовались диски диаметром 294 мм, шириной 10 мм, изготовленные из бронзы БрНБТ, имеющей электрическую проводимость Л=2,551х107 См/м. В качестве ферромагнитного тела использовался стальной шарик из стали ШХ15 диаметром 8 мм.
Для экспериментальной проверки расчета магнитной силы притяжения со стороны детали использовалась схема проведения эксперимента, показанная на рисунке 2.4.23. Во время экспериментов изменялось расстояние а і, при котором измерялась магнитная сила притяжения и разность потенциалов между зонами касания детали с верхним и нижним роликовыми электродами. Результаты теоретических расчетов магнитной силы притяжения со стороны детали будут зависеть от выбранной толщины цилиндра, который образует сферу при вращении вокруг вертикальной оси. Зона протекания тока ограниченная образованной сферой и будет непосредственно влиять на ферромагнитную частицу порошка. В качестве детали использовался цилиндр диа 99 метром 80 мм из конструкционной качественной стали 35, имеющей электрическую проводимость Л=6,25хЮ6См/м. В качестве ферромагнитного тела использовался стальной шарик из стали ШХ15 диаметром 8 мм.
Результаты экспериментов и теоретических расчетов приведены в таблице 2.4.8, при следующих постоянных: ( я=0,002 м; 6д=0,002 м; Л=6,25х106 См/м; a2=Rd=0,04 м, ,=0,008 м).
Экспериментальная проверка равнодействующей магнитной силы притяжения, действующей на ферромагнитную частицу со стороны роликового электрода и детали была проведена по схеме на рисках 2.4.24 и 2.4.25. В качестве роликовых электродов использовались диски диаметром 294 мм, шириной 10 мм, изготовленные из бронзы БрНБТ, имеющей электрическую проводимость Я=2,551х107 См/м. В качестве детали использовался цилиндр диаметром 80 мм из конструкционной качественной стали 35, имеющей электрическую проводимость Л=6,25х10б См/м.
Как видно из таблиц 2.4.7...2.4.9 значения экспериментальных данных ниже, чем значения расчетных, что можно объяснить погрешностью измерения силы притяжения динамометром типа Д11Н, который предназначен для измерения в вертикальном положении, использованием значений проводимости роликового электрода и детали для постоянного тока, а также принятым допущением, что на ферромагнитную частицу со стороны детали действует ток описывающий сферу в детали.
Использование стержневых электродов при электроконтактной приварке порошковых материалов на небольшие детали (контакты, вершины кулачков, торцевые поверхности) вызовет притягивание порошкового материала к зоне сварки за счет магнитной силы, рассчитанной по следующей методике, рисунок 2.4.26. 1. Решена задача по расчету магнитного поля проводника сложной формы. 2. Основными параметрами, влияющими на магнитную силу притяжения при ЭКП, являются: разность потенциалов U; размеры ферромагнитной частицы dj, роликового электрода и детали; электрическая проводимость роликового электрода и детали Л. 3. Магнитная сила притяжения, действующая на ферромагнитную частицу при электроконтактной приварке, интенсивно убывает с увеличением расстояния до зоны приварки. 4. Используя формулу для расчета равнодействующей силы, действующей на ферромагнитную частицу можно оценить максимальное расстояние до зоны приварки, при котором частица может попасть в зону сварки, т.е. можно рассчитать рациональное положение сопла выходного канала бункера. Например, при приварке ферромагнитных порошков расстояние до зоны сварки должно быть не более 76 мм (для нашего случая). Так как роликовый электрод влияет на частицу порошка сильнее, чем деталь, то сопло выходного канала должно располагаться не на одном уровне с зоной приварки (как это может показаться вначале), а ниже этого уровня на 2..4 мм. 5. Зная равнодействующую силу, действующую на ферромагнитную частицу, можно оценить силу всасывания (она должна быть меньше равнодействующей) при использовании схемы с вакуум-насосом (раздел 4.1, рисунок 4.1.8).
При исследовании электроконтактной приварки порошковых материалов в качестве присадочного материала нами были использованы кроме прочих армированные порошковополимерные и спеченные ленты. Армирование проводилось металлической сеткой, заформованной в порошковополимер-ную или спеченную ленту. Цель армирования - улучшение технологических свойств лент, а именно повышение прочности и гибкости. Например, неар-мированные спеченные ленты при огибании вокруг цилиндрических деталей ломаются, а армированные покрываются трещинами, но не ломаются (металлическая сетка удерживает части спеченной ленты предотвращая ее разрушение). Трещины впоследствии завариваются при ЭКП. Использование металлической сетки в порошковополимерных лентах позволяет нарезать ленту по ширине восстанавливаемой поверхности и приваривать ее по винтовой линии (технология схожа с ЭКП стальной ленты). При отсутствии армирования порошковополимерной ленты, приходится нарезать ее на тонкие полосы (шириной чуть меньше ширины роликового электрода) и приваривать ее по технологии ЭКП проволоки, что усложняет и повышает трудоемкость ЭКП.
Способы приварки порошков с принудительной подачей
Одним из критериев для определения оптимального технологического процесса ЭКП, применяемого при восстановлении автотракторных деталей и деталей сельскохозяйственного назначения, подвергающихся воздействию переменных напряжений, может служить величина усталостной прочности деталей. Известно, что усталость является наиболее распространенной причиной разрушения деталей машин и механизмов в результате действия на них переменных напряжений в период длительной эксплуатации.
Авторы работы [122] отмечают, что судить о сопротивлении усталости сварного соединения по свойствам исходного металла не представляется возможным, так как в сварных конструкциях снижение усталостной прочности может происходить не только вследствие концентрации напряжений, но и вследствие ряда других неблагоприятных факторов, специфических для сварочного процесса. По их мнению, сопротивление усталости сварных конструкций можно надежно определить только на основе испытаний типичных элементов в натуре или на соответствующих моделях.
Это в полной мере относится и к соединениям, полученным электроконтактной приваркой. Известно, что усталостная прочность таких соединений в значительной степени зависит от условий осуществления ЭКП, определяющих размер и знак остаточных напряжений.
Испытания проводили на машине кручения и изгиба типа У20, по условиям, регламентированным ГОСТ 2860-65. Общий вид испытательной машины показан на рисунок 3.10.1. Испытаниям подвергали образцы (рисунок 3.10.2), изготовленные стали 45, к которым приваривали выбранные порошковые материалы. Электроконтактную приварку порошков осуществляли за один проход на установке 011-01-02Н «Рем Рисунок 3.10.1 - Общий вид установки для усталостных испытаний цилиндрических образцов. деталь» на режимах приварки, обеспечивающих наилучшую прочность соединения. После ЭКП механическая обработка образцов производилась на универсальном круг-лошлифовальном станке ЗМ151 до получения номинального размера и соответствующей шероховатости.
Сравнение наваренных образцов производилось с образцами, изготовленными из стали 45 и закаленными до твердости HRC 48..50. Испытание образцов на машине У20 производилось нагружением по симметричной схеме изгиба двух образцов с постоянным вращением (рисунок 3.10.3).
Машина типа У-20 позволяет испытывать образцы диаметром 20...22 мм. Указанные диаметры отличаются от размера ряда реальных деталей, восстанавливаемых ЭКП, однако, при сравнительных испытаниях было важно получить не абсолютные значения предела выносливости той или иной детали, а влияние вида присадочного материала и режима ЭКП на сопротивление усталостному разрушению образцов.
Для определения контактной прочности покрытия, использовался следующий метод сравнительной оценки. Вследствие структурной неоднородности покрытий, полученных электроконтактным способом, некоторые из них плохо сопротивляются воздействию многократных контактных нагрузок, так как структурная влияют на контактную прочность покрытия. С учетом этого для оценки контактной прочности покрытия использовался метод обкатки (накатки) приваренного слоя стальными закаленными роликами под заданной нагрузкой. Специально изготовленные ролики из стали У10А, закаленные до твердости HRC 62...65, закреплялись вместо роликовых электродов на сварочных клещах установки для электроконтактной приварки (рисунок 3.11.1). Нагрузка на ролики составляла 3430 Н (давление по манометру установки 0,5 МПа).
Для определения контактной прочности покрытия использовались стальные закаленные ролики с закругленной рабочей поверхностью (радиус закругления 5 мм), рисунок 3.11.2.).
Частота вращения шпинделя с закрепленной в патроне и прошлифованной деталью с приваренным покрытием составляла 6,3 мин"1.
При обкатке фиксировалось время от начала обкатки до появления визуально видимых участков разрушения (питтинга) покрытия или других дефектов. Этот промежуток времени принимался за сравнительный критерий пока-Рисунок 3.11.2 - Ролики для определения контактной прочности зателя качества приваренного покрытия покрытия. с ОСНовным металлом.
Электроконтактная приварка присадочных материалов вследствие неравномерности температурного поля и пластических деформаций приводит к возникновению остаточных напряжений [123].
В зависимости от условий эксплуатации остаточные напряжения могут оказывать существенное влияние на надежность и долговечность деталей, их статическую и динамическую прочность, коррозионную стойкость и износо 148 стойкость. При этом существенную роль в снижении ресурса восстановленных деталей играют растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое [124, 125].
Измерение остаточных напряжений в поверхностном слое восстановленных деталей необходимо, в первую очередь, для получения информации об их распределении в конкретном изделии, которая в дальнейшем может быть использована для определения работоспособности детали и отработки технологии ее изготовления или восстановления.
Работы по определению остаточных напряжений в покрытиях, полученных ЭКП проводились в Челябинском государственном агроинженерном университете доцентом А.Г. Игнатьевым. Данный способ определения остаточных напряжений защищен авторским свидетельством А.с. 1717941 СССР, МКИ G 01В 5/30, опубл. 07.03.92. Бюл. № 9. (авторы А.Г. Игнатьев, М.В. Шахматов, В.П. Костюченко и др.). Данный метод основан на использовании упругопластического контактного взаимодействия (метод пенетрации). Принцип метода заключается в использовании установленных тарировочных зависимостей, связывающих величины главных остаточных напряжений в поверхностном слое детали с нормальными деформационными перемещениями, возникающими при локальном (точечном) упругопластическом взаимодействии на поверхность [126-128], рисунок 3.12.1.
Особенностью диагностирования остаточных напряжений в образцах с покрытиями, выполненными электроконтактной приваркой присадочных материалов, является отсутствие возможности экспериментального определения начальных условий метода пенетрации (построения диаграммы вдавливания Wo d)) для материала покрытия. В связи с этим для получения данных диаграмм разработана методика, предполагающая использование диаграммы вдавливания, полученной для основного материала детали и экспериментально определяемых механических свойств основного материала и материала покрытия. Методика построена на основе результатов анализа упругопла-стической контактной задачи о вдавливании жесткого шарового индентора в упругопластическое тело методом конечных элементов, что подтверждено экспериментальными исследованиями.
