Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследуемого вопроса 9
1.1. Износ рабочих органов почвообрабатывающих машин 9
1.2. Материалы и методы повышения износостойкости 17
1.3. Цель и задачи исследования 23
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки дуговой металлизации износостойких покрытий 25
2.1. Формирование свойств покрытий при дуговой металлизации 25
2.2. Зависимость свойств покрытий от системы легирования материала 30
2.3. Модель поступления кислорода в распыляемый металл при дуговой металлизации 37
2.4. Выводы по главе 41
ГЛАВА 3. Программа, методика исследований и испытаний 42
3.1. Программа экспериментальных исследований 42
3.2. Оборудование и материалы для нанесения покрытий 44
3.3. Оптимизация параметров процесса напыления методом планирования эксперимента 48
3.4. Методика экспериментальных исследований 52
3.5. Методика эксплуатационных исследований 56
ГЛАВА 4. Анализ результатов исследований и испытаний 64
4.1. Результаты моделирования окисления частиц при дуговой металлизации 64
4.2. Результаты оптимизации режимов дуговой металлизации 65
4.3. Результаты экспериментальных исследований 71
4.4. Результаты эксплуатационных исследований 81
4.5. Выводы по главе 84
ГЛАВА 5. Технологии изготовления порошковых проволок и нанесения износостойких покрытий. оценка экономической эффективности разработанных технологических решений 86
5.1. Расчет и технология изготовления порошковой проволоки 86
5.2. Технология дуговой металлизации износостойких покрытий 95
5.3. Расчет себестоимости упрочнения рабочего органа 99
5.4. Оценка экономической эффективности технологии 103
5.5. Выводы по главе 105
Заключение 107
Список литературы
- Материалы и методы повышения износостойкости
- Зависимость свойств покрытий от системы легирования материала
- Методика экспериментальных исследований
- Результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве Российской Федерации используют более 115 млн. га пашни. Для поддержания работоспособности сельскохозяйственной техники ежегодно выпускается значительное количество запасных частей. Например, только Рубцовский завод запасных частей, являющийся ведущим производителем запасных частей к почвообрабатывающей технике в Российской Федерации, ежегодно изготавливает более 600 тыс. лемехов, 870 тыс. лап культиваторов, 14 тыс. дисков борон. Для этих целей на заводе за один год расходуется более 16 тыс. т стали 50 Г.
Общая годовая потребность сельского хозяйства России в рабочих органах к плугам составляет 7 млн. лемехов, 3 млн. полевых досок, 2,4 млн. отвалов. Годовые затраты на поддержание техники в работоспособном состоянии, по данным ГОСНИТИ, составляют по плугам 1,2 млрд руб.; по культиваторам – 2,5 млрд руб.; по сеялкам – 2,7 млрд руб.
Увеличение рабочих скоростей, ширины захвата, соответственно массы орудий способствует как уплотнению почвы, так и увеличению нагрузки на рабочие органы почвообрабатывающих машин, что приводит к недостаточной износостойкости и к низкому ресурсу рабочих органов. В связи вышеуказанным, актуальной задачей является проведение работ по созданию износостойких покрытий на рабочих органах почвообрабатывающих машин, для увеличения их ресурса. Анализ способов повышения износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин показал, что одним из перспективных направлений по нанесению износостойких покрытий среди методов газотермического напыления (ГТН) является дуговая металлизация (ДМ) с использованием порошковых проволок (ПП). Простота изменения состава ПП дает возможность получать износостойкие покрытия требуемой системы легирования, что необходимо для варьирования состава покрытий при различных режимах изнашивания. Однако при распылении ПП на типовых режимах происходит выгорание легирующих элементов и насыщение распыляемого металла кислородом из атмосферы. Поэтому необходимо рассмотреть особенности формирования металлизационных покрытий и методы совершенствования технологии их нанесения, позволяющие обеспечить износостойкость покрытий для условий эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Работа выполнена в соответствии с темой научно-исследовательской работы кафедры технического сервиса и ремонта машин Пермской ГСХА. Государственный регистрационный номер темы научных исследований во ВНТИ Центре 01201151686.
Степень разработанности. Исследованием процессов, закономерностей и явлений при трении и изнашивании занимались отечественные и зарубежные ученые: И.В. Крагельский; К.Т. Ramesha; В.А. Белый; Г. Фляйшер; М.М. Хрущов; М.А. Бабичев; Д.Б. Берштейн; В.П. Лялякин; А.М. Михальченков; Б.Н. Орлов; В.С. Новиков и др. Вопросам нанесения износостойких покрытий методами газотермического напыления посвящены труды С.А. Зайцева; А.Ф. Фаюршина; М.Ю. Петрова. Их работы в значительной мере способствовали внедрению технологии газотермического напыления для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин. Однако, в их исследованиях недостаточно раскрыто влияние состава напыляемых материалов и режимов их нанесения на протекающее при напылении окисление покрытий, определяющее их физико-механические и эксплуатационные свойства, в частности стойкость к ударно-абразивному износу, характерного для условий работы рабочих органов почвообрабатывающих машин.
4 Цель работы. Повышение ресурса рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе совершенствования технологии дуговой металлизации износостойких покрытий из экономно легированных порошковых проволок.
Задачи исследований:
-
Определить оптимальный состав порошковой проволоки и режимы дуговой металлизации износостойких покрытий.
-
Исследовать зависимость физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий от состава порошковой проволоки и режимов дуговой металлизации.
-
Разработать технологический процесс упрочнения рыхлящих лап культиватора стерневого тяжелого и определить его экономическую эффективность.
Объект исследований. Металлизационные покрытия на рабочих поверхностях лап культиватора стерневого тяжелого.
Предмет исследований. Закономерности физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий от состава порошковой проволоки и режимов дуговой металлизации.
Методология и методы исследований. В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования и планирования эксперимента в среде программирования Pascal и программном пакете STATISTICA. Экспериментальные исследования выполнены по стандартным методикам на верифицированном оборудовании и включали в себя: элементный анализ, сканирующую электронную микроскопию, рент-геноструктурный фазовый анализ, испытания по определению адгезионной прочности, пористости, микротвердости и износостойкости покрытий. Для подтверждения результатов исследования проведены эксплуатационные исследования рыхлящих лап культиватора стерневого тяжелого, упрочненных по разработанной технологии.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.
-
Определены оптимальный состав порошковой проволоки по критериям степени окисления распыляемого материала и параметры режима дуговой металлизации по критерию адгезионной прочности напыленных покрытий.
-
Установлена степень окисления металлизационных покрытий из порошковой проволоки и определены физико-механические и эксплуатационные показатели.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установлена зависимость физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий от состава порошковых проволок и режимов дуговой металлизации. Предложен состав порошковой проволоки для нанесения покрытий стойких к абразивному износу дуговой металлизацией. Разработан технологический процесс нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности рыхлящих лап культиватора стерневого тяжелого. Полученные результаты внедрены на предприятия: ООО «Навигатор-НМ», г. Пермь; СПК (колхоз) имени Калинина, Дебес-ского района, Удмуртской Республики; ООО Агрофирма «Труд», Пермский край, с. Тро-ельга, а также используются в учебном процессе Пермской ГСХА.
Степень достоверности результатов. Экспериментальные данные по структуре и свойствам покрытий получены на поверенном оборудовании в сертифицированных лабораториях с использованием современных методов обработки информации и статического анализа.
Вклад автора в проведенное исследование. Определены состав порошковой проволоки и режимы дуговой металлизации износостойких покрытий. Исследована зависимость физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий от системы легиро-
5 вания порошковых проволок и режимов дуговой металлизации. Разработан технологический процесс упрочнения рыхлящих лап культиватора стерневого тяжелого.
Апробация результатов исследований. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: НПФ «Плазмацентр» (С.-Петербург, 2011); «Инновационные проекты в области агроинжене-рии», Московский ГАУ (Москва, 2011); «Инженерная мысль машиностроения будущего» УрФУ (Екатеринбург, 2013); «Сварка. Контроль и диагностика», МВЦ «Екатеринбург-ЭКСПО» (Екатеринбург, 2013); «Знания молодых: наука, практика и инновации», Вятская ГСХА (Киров, 2014); «Аграрная наука в инновационном развитии АПК», Башкирский ГАУ (Уфа, 2015–2016). На всероссийских научно-практических конференциях: LXXII – LXХVII, «Молодежная наука 2012–2017: технологии, инновации», Пермская ГСХА (Пермь, 2012–2017); «Участие молодых ученых в решении актуальных вопросов АПК России», Пензенская ГСХА (Пенза, 2016). По теме диссертации выполнены НИОКР в рамках конкурсов «У.М.Н.И.К.» (госконтракт № 422 ГУ1/2013 от 13.11.2013 г.; госконтракт № 5634 ГУ2/2014 от 13.05.2015 г.) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 3,89 п.л., из них автору принадлежит 1,32 п.л.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 131 страницах, содержит 25 таблиц, 28 иллюстраций, 11 приложений. Список литературы состоит из 94 наименований, из них 4 на иностранных языках.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Оптимизированный состав порошковой проволоки и параметры режима дуговой металлизации износостойких покрытий.
-
Результаты исследования зависимости физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий из порошковых проволок от их состава.
-
Технология упрочнения рыхлящих лап культиватора стерневого тяжелого, и результаты эксплуатационных исследований.
Материалы и методы повышения износостойкости
Увеличение значения коэффициента трения на глинистых и суглинистых почвах с увеличением влажности объясняется ростом сил межмолекулярного взаимодействия частиц почвы со стальной поверхностью, а снижение после перехода максимума – появлением на поверхности контакта свободной воды, которая исполняет роль «смазки» [4].
Границы изменения коэффициента трения песчаных грунтов по стали, обусловленные увеличением влажности почвы, исследованы еще недостаточно, поэтому кривые 1 и 2, изображенные на рисунке 1.2, являются, в известной мере, гипотетическими.
При увеличении влажности рыхлых (лишенных связанности) песчаных почв от гигроскопической до максимальной капиллярности коэффициент трения достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении влажности коэффициент трения снижается. Это объясняется следующим образом: при небольшой влажности почвы скольжение стали по поверхности рыхлого песка сопровождается перекатом слоя песчинок, что снижает коэффициент трения. Повышение влажности песка увеличивает межмолекулярные связи, уменьшается подвижность слоя песчинок, происходит прилипание почвы к поверхности, что приводит к увеличению коэффициента трения. Дальнейшее увлажнение песчаного грунта сопровождается появлением свободной воды, которая смазывает поверхность трения, коэффициент трения при этом снижается [3].
Максимальное значение коэффициента трения скольжения стали по песчаному грунту, находящемуся в связанном состоянии, наблюдается при небольшой влажности (рисунок 1.2, кривая 2). Песчинки грунта, взаимодействуя со сталью, вызывают ее интенсивный абразивный износ (царапая ее подобно наждачной бумаге). Увеличение влажности почвы приводит к ее размягчению, снижается прочность закрепления в почве песчинок, что уменьшает коэффициент трения.
В работах, где изучаются явления трения и изнашивания, отсутствует общее мнение о влиянии скорости перемещения почвы по стали на коэффициент трения скольжения. Ряд авторов [70, 5] полагают, что рост скорости скольжения приводит к увеличению коэффициента трения, другие [24] утверждают обратное. При скоростях скольжения почвы по стали в пределах 0,5–4,0 м/с коэффициент трения скольжения изменяется незначительно и не влияет на износ [7].
В работе [89] по изучению влияния удельного давления p почвы на поверхность стали утверждается, что рост p снижает коэффициент трения, т.к. в результате уплотнения почвы на поверхности стали появляются частицы воды, играющей роль смазки. Г.П. Синеоков полагает, что это влияние возможно лишь при максимальной влажности почвы [75].
Работоспособность лемешных плугов во многом зависит от состояния лемеха. Лемех, подрезая пласт почвы, испытывает наибольшее давление в носовой части и меньшее на кромке лезвия. Так, при глубине вспашки h = 22 см и скорости v = 1,4 м/с. Давление на носке лемеха достигает 1,6–1,8 МПа [73]. Аналогичная ситуация складывается и для лап культиватора. Все это приводит к неравномерному абразивному износу носка и режущей части примерно в два раза.
При вспашке уплотненных участков почвы, а также почв, засоренных камнями, давление при наезде лемеха плуга на камень увеличивается «скачкообразно». При наезде на камень чрезмерно возрастает напряжение контакта лезвия с камнем, вызывающее выкрашивание и пластическую деформацию лезвия в результате как механических перегрузок, так и мгновенного увеличения температуры при наезде лемеха на камень. По данным [66], по сравнению с нормальными условиями давление за время контакта увеличивается в десять раз и более (0,04–0,10 с).
Другим отрицательным результатом каменистых включений является затупление и износ лезвий. Затупление лезвий рабочих органов почвообрабатывающих машин ухудшает подрезание сорняков и увеличивает тяговое сопротивление машин, нарушает устойчивость их хода по глубине [18]. Ресурсные испытания лемехов при вспашке почв, содержащих абразив в виде кварцевого песка, показали, что до 50 % их выбраковывают из-за изгиба и поломки носка, при этом износ лезвия не достигает предельного состояния. На черноземах более интенсивно изнашивается лезвие лемеха. После наработки 3–4 га он приобретает закругленную форму и требуется восстановление лезвия оттяжкой [72]. На песчаных почвах рабочие органы почвообрабатывающих машин, восстановленные традиционными методами наплавки, работают неудовлетворительно. Ресурс восстановленного лемеха составляет, как и для нового, 5–6 га [12]. Необходимы анализ причин низкого ресурса и совершенствование технологии упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Зависимость свойств покрытий от системы легирования материала
Исходя из условий образования покрытия, можно предположить, что дискообразные поры формируются между слоями вследствие недостаточного послойного смачивания капель. Глобулярные поры сформированы в результате недостаточного заполнения затвердевающего слоя. Во время травления образцы вначале действие травителя проявлялась на тонких слоях металла; труднее травятся более толстые слои и крупные частицы. Слабое травление структурных составляющих по сравнению светлыми участками, дает предположение, что это металл, с высоким содержанием хрома. Структура точечного характера выявляется в глобуле и тонких слоях металла, похожая на структуру отпущенного мартенсита.
Сочетание малого размера частиц и их высоких скоростей в момент удара приводит к высоким скоростям охлаждения. Анализ фазового состава металлизационных покрытий из сталей 20X13 и 40X13 показал, что в них практически отсутствуют карбиды, хотя по диаграмме равновесного состояния Fe-Cr-C для сталей типа 20X13, 40X13 структура состоит из -фазы и карбидов типа Ме23С6 [41]. Вероятно, высокие скорости охлаждения препятствуют выделению карбидов из раствора.
Результаты замеров микротвердости ДМ-покрытий из сталей 20X13 и 40X13 показывают, что зависимости микротвердости по высоте слоя не обнаружено. Микротвердость смешанных участков и чистого металла у стали 20Х13 практически одинакова: по толщине покрытия она неравномерна и варьируется от 4,8 до 5,2 ГПа. Микротвердость оксидов имеет значения от 5 до 6 ГПа, т.е. выше твердости участков чистого металла. Округлые частицы (глобулы) имеют микротвердость в пределах 4,5–5,9 ГПа. Наблюдаются аналогичные результаты у стали 40Х13, интервал значений находится выше: 5,0– 6,4 ГПа. Послойный химический анализ покрытий, напыленных ДМ-аппаратом, показал, что содержание элементов практически одинаково по глубине напыленного слоя, но в процессе напыления происходит их выгорание в сравнении с исходным содержанием [41].
Для оценки влияния состава атмосферы транспортирующего газа на особенности формирования металлизационного покрытия были подготовлены образцы с применением различных вариантов металлизации. В качестве базы для сравнения выбран серийно выпускаемый аппарат ЭМ-14. В аппарате АДМ-10 для распыления используются продуты сгорания пропановоздушной смеси.
Можно предположить, что округлые частицы металла попали в покрытие в уже затвердевшем состоянии, с размером частиц менее 30 мкм.
Следует отметить, что покрытия полученные при распылении в воздушной среде имеют грубую неоднородную структуру с вытянутыми по слоям порами и крупными частицами.
При использовании пропановоздушной среды были получены покрытия с более тонкой структурой, пор и пустот значительно меньше и они мельче. В структуре меньше оксидов, а оксидные пленки тоньше. Поэтому следует отметить, что покрытия полученные при использовании пропановоздушной среды, полученные на АДМ-аппаратах более предпочтительны.
Исследования микротвердости сравниваемых покрытий показали, что микротвердость покрытий выше при использовании восстановительной атмосферы, получаемой с применением пропановоздушной среды. Повышение микротвердости для различных структурных составляющих составляет 6-12 % и снижается пористость покрытий. Отмечается, что кислород в составе транспортирующего газа приводит к увеличению пористости покрытий, увеличению числа и размеров прослоек оксидов, а повышение пористости снижает когезионную прочность, т.к. поры – это пустоты с нулевой прочностью.
Применительно к покрытиям из стали 20X13 было изучено влияние на износостойкость степени окисления капель металла. За эталон принят образец с покрытием, напыленным аппаратом ЭМ-14 без применения восстановительной атмосферы. С ним сравнивались образцы с покрытиями, нанесенными аппаратом АДМ-10. В работе [43] установлено, что снижение степени окисления капель, и как результат - степени окисления покрытия, приводит к повышению стойкости покрытий к ударно-абразивному износу в несколько раз. Следует отметить, что применительно к АДМ-покрытиям из ПП системы легирования Fe-B-Cr-Al-Y подобные исследования не проводились (приложение В).
Проведенные испытания материалов (30ХГСА, 65Г, 51ХФА, 20Х13) показали, что покрытия из стали 20Х13 имеют наилучшие результаты. Относительная износостойкость в 2–5 раз выше, чем у покрытий из других материалов. Покрытие из стали 20X13 представляет собой отпущенный мартенсит и структурные превращения в нем будут сопровождаться напряжениями сжатия, благоприятными для эксплуатационных нагрузок. Поэтому в дальнейшем в качестве эталона при испытаниях износостойкости покрытий были приняты образцы АДМ-покрытий из сплошной проволоки 20Х13.
Таким образом, для уменьшения оксидной пленки на поверхности частицы, как одного из наиболее доступных на практике способов повышения свойств покрытий, необходимо создание защитной атмосферы, особенно в зоне горения дуги, а также легирование распыляемого металла элементами - раскислителями [77].
Из сопоставления полученных данных и результатов структурных исследований по влиянию состава транспортирующего газа на число и размер прослоек оксидов в покрытии можно сделать заключение о том, что для конкретного материала существует критическое число оксидов в покрытии, определяющее максимум на кривой износостойкости.
Методика экспериментальных исследований
Назначение микроструктурного анализа композиции «покрытие – основной металл» заключается в установлении связи между условиями напыления, химическим составом исходных материалов, особенностями микроструктуры и эксплуатационными характеристиками. Микроанализ позволяет определить особенности микроструктуры покрытия, основного металла и переходной зоны, а также провести качественный и количественный анализы их фазового состава.
Для исследования структуры, фазового состава и выполнения микрохимического анализа использовали образцы покрытий, напыленные на пластины 20201,5 мм из стали 20. Из указанных образцов готовили поперечные металлографические шлифы с использованием пасты ГОИ № 2 и алмазной пасты НОМ 60/40 на полировальном станке Labopol. Для травления шлифов использовали трехпроцентный раствор азотной кислоты в спирте. Фазовый состав покрытий определяли на рентгеновском дифрактометре SHIMADZUXRD-7000 в Cr-k излучении. Структуру и микрохимический состав покрытий изучали на сканирующем электронном микроскопе VEGAIIXMU с волнодисперсионным INCAWave 700 и энергодисперсионным INCA Energy 450ХТ микроанализаторами.
Пористость покрытий определяли металлографическим методом на поперечных шлифах с помощью промышленного программно-аппаратного комплекса «SIAMS 700» - на базе управляющей программы SIAMS Photolab с оценкой распределения пор покрытия по размерам, площади и объему: n -численная доля пор, A - доля по площади, V - доля по объему. Объм поры вычисляли как V = 7iD3 /6 D = S/4A/ ж - диаметр круга, эквивалентного поре по площади A, результаты определения пористости усредняли для пяти полей зрения в соответствии с ASTM E2109-01.
Для оценки адгезионной прочности существует достаточно большое количество методов [27, 28]. Анализ имеющегося опыта использования штифтового метода определения прочности соединения покрытия с основой и результаты экспериментальных исследований [55], позволяют рекомендовать его как наиболее приемлемый, однако не лишенный недостатков вариант.
Для исследований адгезионной прочности покрытий с основой были изготовлены образцы с установленными правилами, выполнение которых обязательно при подготовке образцов (рисунок 3.3):
1. Штифт изготавливается из того же материала и с такой же структурой, что и деталь с точностью изготовления не ниже 12-го квалитета СТ СЭВ 144-75.
2. Допуск диаметра конуса в любом сечении для шайбы Н7, для шрифта hi.
3. Шайба, на которую наносится покрытие, изготавливается из стали любой марки. Торцевая поверхность штифта и поверхности шайбы шлифуется после сборки и фиксации штифта до шероховатости Ra 1,25 мкм по ГОСТу 2789-73. Необходимо учесть, что при шлифовании диаметр торца штифта и внутренний диаметр увеличивается, поэтому при их изготовлении нужно дать припуск на шлифование. Величина припуска зависит от толщины сошлифованного слоя. После шлифования штифт вынимается, зачищаются заусенцы, затем образец собирается вновь.
4. При изготовлении образец не должен нагреваться и вызывать структурные изменения в материале. Припуски на обработку, параметры режима и последовательность обработки должны сводить к минимуму наклеп и исключать местный перегрев образцов, особенно рабочей поверхности штифта.
Образец для определения адгезионной прочности: а - шайба; б - штифт; в - образец в сборе 5. При подготовке поверхности образца перед нанесением покрытия применяют дробеструйную обработку, после чего проверяют возможность свободного выпадения штифта из шайбы при вывинчивании стопора. Штифт промывается в спирте или бензине «калоша». Затем с погрешностью 0,01 мм измеряется диаметр торца штифта. После этого образец собирается вновь, и штифт фиксируется стопором.
Адгезионную прочность покрытий определяли с помощью машины Instron 3382, результаты усредняли по трем образцам. При этом нагрузка в испытаниях составляла 10-100 кН, скорость рабочего хода траверсы машины при растяжении образца – 0,001-100 мм/мин (до 100 кН) при пределе допускаемой относительной погрешности измерений нагрузки в 0,5 % и пределе допускаемой относительной погрешности регулировки скорости траверсы в 0,2 % и точности ее позиционирования в 0,03 мкм.
Микротвердость с поверхности металлизационных покрытий и по их сечению измеряли согласно ГОСТ 9450 на микротвердомере Leica VMHT AUTO при нагрузке 300 г, индентором служила алмазная пирамида с углом между противоположными гранями 136.
Износостойкость определяли при трении о закрепленные частицы абразива по методике Хрущева М.М. и Бабичева М.А. [85]. Испытывали образцы с размерами 1010 мм путем совершения возвратно-поступательных движений по шлифовальной бумаге 14А32МН481 по ГОСТ 6456 на основе электрокорунда (рисунок 3.4). Путь трения образца за одно испытание при скорости движения 0,158 м/с устанавливался равным 60 м. Нормальная удельная нагрузка на образец 10 кг, удельная нагрузка 1 МПа, величина поперечного смещения шлифовальной бумаги на один двойной ход образца - 0,0012 м. Показатель износостойкости покрытий, равный отношению изменений массы эталона и образца, определялся по результатам трех испытаний. Рисунок 3.4 - Схема изнашивания по закрепленному абразиву В качестве критерия износостойкости использовали показатель относительной износостойкости: = mэ / m0, (3.16) где mэ, m0 – изменение массы эталона и образца в процессе испытаний.
При проведении эксплуатационных исследований в условиях рядовой эксплуатации рабочие органы почвообрабатывающих машин получены от производителя сельхозтехники и коммунального оборудования ООО «Навигатор-НМ», г. Пермь: рыхлящие лапы (крыловидный лемех и двухстороннее долото) культиватора стерневого тяжелого (КСТ) производства фирмы «Bellota», Испания (рисунок 3.6), которые являлись объектом исследования. Экспериментальные рыхлящие лапы были поставлены на культиватор КСТ-3,8 (рисунок 3.5), который агрегатировался трактором ХТЗ-150К класса 3. Культиваторы семейства КСТ-3,8 являются навесными изделиями и представляют собой рамную конструкцию с размещенными на ней механизмами и узлами. Они состоят из несущей рамы 1, навесного трехточечного устройства 2, девяти плоскорежущих лап 3, восьми (десяти) сферических дисков 4, прикатывающих опорных катков 5.
Результаты экспериментальных исследований
Результаты моделирования процесса окисления частиц распыляемого металла при ДМ ПП и СП представлены в таблице 4.1. При сравнении опытных и расчетных данных видно, что в случае АДМ ПП расчетные значения попадают в интервал опытных данных для доли поверхности капли, свободной от шлака L = 0,2–0,3. Вероятно, указанный эффект обусловлен введением в шихту ПП компонентов, увеличивающих вязкость шлака, таких как алюминий и иттрий. Доля L постоянно меняется в зависимости от изменения скорости, температуры частиц по дистанции, их возможного вращения. Если сравнивать полученные результаты с данными для СП, то видно, что L меняется также в зависимости от химического состава распыляемого материала. Далее в расчетах принято, что показатель L = 0,25 как наиболее достоверно отражает происходящие физические процессы.
Из представленной таблицы видно, что степень окисления АДМ-покрытий из ПП 20Х11Р5Ю3СИ в 1,89 раза ниже, чем у АДМ-покрытий из СП 20Х13. Вероятно, полученный результат обусловлен большим сродством иттрия и алюминия, введенных в состав ПП, к кислороду [90], что способствует снижению степени окисления частиц распыляемого материала и улучшению условий взаимодействия в контакте «частица-подложка». Соответственно, это может объяснять различия в физико-механических и эксплуатационных свойствах покрытий из ПП различных систем легирования. Минимальная степень окисления покрытий из ПП 20Х11Р5Ю3СИ позволит предотвратить их износ по механизму внутреннего трения с возникновением и развитием микротрещин по оксидным пленкам. С учетом вышесказанного осуществлен выбор системы легирования ПП для ДМ износостойких покрытий.
Результаты определения режимов ДМ методом планирования эксперимента по критерию максимальной адгезионной прочности покрытий из ПП 20Х11Р5Ю3СИ, определяющей их способность сопротивляться отслаиванию в условиях эксплуатации рабочих органов почвообрабатывающих машин, приведены в таблицах 4.2 и 4.3. Линейное уравнение регрессии адекватно экспериментальным данным по критерию Фишера для сс-числа степеней свободы и заданного p-уровня значимости. Все коэффициенты уравнения регрессии, кроме определяющего влияние напряжения дуги, статистически значимы по t-критерию Стьюдента для заданного p-уровня значимости.
Анализ приведенных данных позволяет заключить, что адгезия металлизационных покрытий возрастает с увеличением их толщины, тока дуги, а также уменьшением дистанции напыления (в порядке уменьшения эффекта факторов), влияние напряжения дуги статистически не значимо.
При ДМ увеличение тока дуги приводит к повышению температуры частиц, развитию взаимодействия в контакте «частица-подложка» и повышению адгезионной прочности покрытия. Увеличение напряжения дуги, несмотря на повышение температуры частиц, приводит к снижению коэффициента использования металла (КИМ) частиц и его выгоранию за счет увеличения длины дуги [43], что, по-видимому, обусловливает малое влияние этого фактора на адгезию металлизационного покрытия.
Полученные в настоящей работе закономерности совпадают с данными других авторов [38]. При ДМ удельная энергия, расходуемая на плавление, перегрев и испарение металла, с ростом мощности дуги увеличивается, а следовательно, увеличивается и температура распыляемых частиц. Увеличение температуры распыляемых частиц в свою очередь приводит к повышению прочности сцепления, плотности и развитости поверхности получаемых покрытий. В работе [39] автор указывает, что при постоянной производительности распыления увеличение мощности электрической дуги приводит к уменьшению эффективного КПД нагрева электродов и КИМ. С увеличением напряжения растт доля энергии, расходуемая в дуговом промежутке, в частности на нагрев распыляющего газа. При выборе режима следует стремиться к минимальным значениям напряжения дуги без нарушения стабильности процесса, а необходимую для перегрева напыляемых частиц величину мощности устанавливать посредством изменения силы тока [16].
Увеличение толщины металлизационного покрытия в общем случае приводит к снижению его адгезионной прочности вследствие увеличения в нем уровня остаточных напряжений [43]. Результаты настоящего исследования обусловлены методикой испытаний [54], поскольку адгезионный характер разрушения покрытия при отрыве достигался при его максимальной толщине, что также характерно для плазменных покрытий.
В частности, при плазменном напылении покрытий толщина, зависящая от времени напыления, количества элементарных слоев, их толщины, существенным образом влияет на его адгезионную прочность [90, 27]. В работе [71] проводились исследования адгезионной прочности плазменных покрытий в зависимости от их толщины. Исследования позволили установить, что в области малых толщин покрытий из окиси алюминия на стали Ст. 3 наблюдается когезионное разрушение при росте прочности на отрыв с увеличением толщины. Начиная с толщины 0,3–0,5 мм прочность сцепления падает, а характер разрушения покрытия на отрыве становится адгезионным.
В настоящей работе также установлено, что зависимость адгезионной прочности металлизационного покрытия от дистанции напыления экстремальна. Это связано с влиянием дистанции напыления на энтальпию частиц напыляемого материала и напряженное состояние покрытия, как и в случае плазменных покрытий. Так, для плазменного напыления покрытий при малых расстояниях от среза сопла до подложки происходит перегрев поверхности и покрытия, что вызывает формирование остаточных напряжений, а при значительных дистанциях резко уменьшается энтальпия частиц, в обоих случаях наблюдается снижение адгезионной прочности покрытия [90, 27], что мы зафиксировали в наших исследованиях.