Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи
1.1. Состояние исследований в области разработки технологий восстановления деталей
1.2. Состояние исследований в области разработки количественных методов изучения процессов напыления
Глава 2. Разработка и внедрение технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники газопламенной наплавкой напылением
2.1. Технологические особенности предлагаемого метода газопламенной наплавки напылением
Глава 3. Разработка моделей процесса газопламенной наплавки напылением и критериев надежности получаемых покрытий
3.1. Расчетный метод определения толщины покрытия при газопламенной наплавке напылением Для построения расчетного метода определения толщины покрытия
- Состояние исследований в области разработки технологий восстановления деталей
- Состояние исследований в области разработки количественных методов изучения процессов напыления
- Технологические особенности предлагаемого метода газопламенной наплавки напылением
- Расчетный метод определения толщины покрытия при газопламенной наплавке напылением Для построения расчетного метода определения толщины покрытия
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В условиях интенсивной эксплуатации сельскохозяйственной техники важное значение имеет оперативное и качественное восстановление отдельных ее элементов, агрегатов и блоков. Одним из наиболее эффективных методов восстановления является нанесение на поверхность деталей металлизированных покрытий путем напыления порошкового материала. В настоящее время, когда по экономическим соображениям приходится продлевать сроки эксплуатации сельскохозяйственной техники, актуальность указанной проблемы возрастает.
В данном научном направлении выполнено значительное число научных исследований. Однако упор в них делался в основном на экспериментальное изучение различных технологий напыления. Вопросам разработки простой, относительно дешевой и эффективной технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники, адаптированной к реальным условиям ее использования, а также вопросам теории процесса, разработки расчетных моделей, уделялось значительно меньшее внимание. Например, до настоящего времени не решены следующие три важные для практики задачи:
разработка метода расчета толщины покрытия, получаемого в процессе напыления;
разработка метода расчета оптимального расстояния напыления;
разработка методов оценки надежности покрытия.
В связи с сокращением объема финансирования экспериментальных работ центр тяжести исследований может быть перенесен. Теперь большее внимание должно быть уделено разработке методов и математических моделей, позволяющих средствами компьютерных систем давать прогноз возможностям и последствиям процессов нанесения покрытий. При этом не исключаются экспериментальные работы, а также направления исследований по изысканию новых технологий восстановления деталей.
В данной работе показано, что одной из самых перспективных технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники является газопламенная наплавка напылением. В разработке этой технологии принимал участие автор данной работы, а опыт использования показал ее высокие технические и эксплуатационные качества.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертации является: - исследование и разработка элементов технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники способом газопламенной наплавки напылением;
. - постановка и решение с помощью средств математического моделирования трех основных задач: 1. Разработка метода расчета толщины покрытия, полу-
чаемого в процессе напыления; 2. Разработка метода расчета оптимального расстояния напыления; 3. Разработка методов оценки надежности покрытия.
Полученные результаты имеют целью разработку простой, относительно дешевой и эффективной технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. В качестве объекта исследований выбрана разрабатываемая в диссертации технология газопламенной наплавки напылением, а также процесс нанесения покрытий на поверхности восстанавливаемых деталей.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ включает проведение экспериментальных работ по проверке принципов функционирования предложенной установки газопламенной наплавки напылением, по изучению структуры и физико-механических свойств получаемых покрытий, а также проведение теоретических исследований по моделированию процесса нанесения покрытий и выбору основных параметров процесса.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается:
- в разработке технологических решений, положенных в основу способа восстановления деталей сельскохозяйственной техники газопламенной наплавкой напылением;
-в постановке и разработке методов решения следующих новых задач теоретического характера, по расчетному определению основных параметров и показателей процесса:
-
Толщины слоя покрытия в зависимости от времени протекания процесса напыления;
-
Оптимального расстояния напыления;
-
Показателей надежности покрытия.
На основании проведенных исследований выявлены закономерности роста толщины покрытия в процессе его нанесения. Установлена связь оптимального расстояния напыления и оптимальной начальной скорости частицы с удельной энергией нагрева частицы порошка от ее начальной температуры до температуры нагрева поверхности.
Полученные новые научные результаты позволили разработать элементы технологии газопламенной наплавки напылением, а также дать инженерные методики расчета основных параметров и показателей процесса нанесения покрытия.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит:
І. В разработке и внедрении технологии восстановления деталей способом газопламенной наплавки напылением, ориентированной на реальные условия эксплуатации сельскохозяйственной техники;
II. В получении по предлагаемой технологии покрытий с высокими физико-механическими характеристиками: 1. Прочность сцепления покрытия с основным металлом 450-650 МПа; 2. Твердость покрытий 40-70 HRC; 3. Толщина покрытия 0.1-1.0 мм; 4. Коэффициент износостойкости (по отношению к закаленной стали 45) составляет 3-10.
Технология обеспечивает высокую производительность (7-10 кг/час) на большой номенклатуре автомобильных деталей.
III. В разработке инженерных методик для расчетного определения:
-
Толщины слоя покрытия в зависимости от времени протекания процесса напыления;
-
Оптимального расстояния напыления;
-
Показателей надежности покрытия;
-
Твердости материала покрытия в зависимости от толщины его слоя;
-
Износостойкости покрытия.
Задачи 1...3 поставлены и решены впервые, а полученные результаты обладают научной новизной. Задачи 4,5 обладают новизной в части постановки, метода решения и полученного результата. В отличие от других работ в области определения твердости и износостойкости покрытия в диссертации не используется стандартный статистический метод аппроксимации опытных данных, а предлагается новый, расчетный детерминированный подход.
Технология газопламенной наплавкой напылением также является новой, что подтверждено документально соответствующими актами внедрения.
IV. В получении экономического эффекта от внедрения предложений автора по использованию технологии восстановления шкива коленчатого вала, который с учетом снижения расходов на эксплуатацию на программу 1000 ремонтов в год составил 57 000 руб. в ценах 1999 г.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований были внедрены на ряде авторемонтных заводов.
Проведены работы по восстановлению и упрочнению группы деталей автомобиля ЗИЛ-130, среди которых были восстановлены такие ответственные детали как: валы коробки передач, шестерня цилиндрическая, крестовина дифференциала, поворотный кулак и др.
Результаты внедрения показали высокие эксплуатационные свойства покрытий, нанесенных методом газопламенной наплавки напылением. Так восстановленные детали проработали на автомобилях ЗИЛ-130 в течение двух лет. Пробег за этот период составил 96...108 тыс. км. Отказов узлов с этими деталя-лями не было. Размеры восстановленных поверхностей находились в пределах, допустимых с точки зрения требований технической документации.
Технологический процесс восстановления шкива коленчатого вала газопламенной наплавкой напылением принят ведомственной комиссией на Воло-
коламском авторемонтном заводе. Проведенные эксплуатационные испытания в течение 3-х лет (пробег автомобиля составил 240 тыс. км) показали, что износ деталей находился в допустимых пределах без ремонта. Аналогичные детали, восстановленные вибродуговой наплавкой под слоем флюса, показали ресурс всего лишь 90 тыс. км.
ВНЕДРЕНИЕ. Результаты работы внедрены на Волоколамском авторемонтном заводе, на производственном объединении "Моссельхозремонт", на производственном объединении "Мособлсельхозтехника".
л Положительные результаты внедрения позволили сделать вывод, что предлагаемая технология восстановления деталей сельскохозяйственных машин имеет большие преимущества в реальных условиях ее использования.
-
Разработка элементов технологии газопламенной наплавки напылением и результаты ее внедрения в практику восстановления деталей сельскохозяйственных машин.
-
Разработка нового расчетного метода определения толщины покрытия при газопламенной наплавке напылением.
-
Разработка нового расчетного метода оптимального выбора расстояния напыления.
-
Разработка нового метода оценки надежности покрытия, получаемого при газопламенной наплавке напылением.
-
Экспериментальное подтверждение высоких физико-механических характеристик получаемых покрытий.
6. Экспериментальное подтверждение достоверности основных теорети
ческих выводов работы.
АПРОБАЦИЯ. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку:
- на научно-технических конференциях МГАУ им. В.П. Горячкина в 1990-1998 г.г.
-на научно-технических конференциях и семинарах ВЦ РАН ("Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем") в 1998 г.
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации опубликованы в центральной печати и депонированы в виде статей. Общее число статей по теме работы 10, научных отчетов -7.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 146 страницах
машинописного текста, содержит 26 рисунков, 3 таблицы, библиографию из 55 наименований.
Состояние исследований в области разработки технологий восстановления деталей
Задачи 1...3 поставлены и решены впервые, а полученные результаты обладают научной новизной. Задачи 4,5 обладают новизной в части постановки, метода решения и полученного результата. В отличие от других работ в области определения твердости и износостойкости покрытия в диссертации не используется стандартный статистический метод аппроксимации опытных данных, а предлагается новый, расчетный детерминированный подход.
Технология газопламенной наплавкой напылением также является новой, что подтверждено документально соответствующими актами внедрения.
В получении экономического эффекта от внедрения предложений автора по использованию технологии восстановления шкива коленчатого вала, который с учетом снижения расходов на эксплуатацию на программу 1000 ремонтов в год составил 57 000 руб. в ценах 1999 г.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были внедрены на ряде авторемонтных заводов.
Проведены работы по восстановлению и упрочнению группы деталей автомобиля ЗИЛ-13 0, среди которых были восстановлены такие от ветственные детали как: валы коробки передач, шестерня цилиндрическая, крестовина дифференциала, поворотный кулак и др.
Результаты внедрения показали высокие эксплуатационные свойства покрытий, нанесенных методом газопламенной наплавки напылением. Так восстановленные детали проработали на автомобилях ЗИЛ-130 в течение двух лет. Пробег за этот период составил 96... 108 тыс. км. Отказов узлов с этими деталями не было. Размеры восстановленных поверхностей находились в пределах, допустимых с точки зрения требований технической документации.
Технологический процесс восстановления шкива коленчатого вала газопламенной наплавкой напылением принят ведомственной комиссией на Волоколамском авторемонтном заводе. Проведенные эксплуатационные испытания в течение 3-х лет (пробег автомобиля составил 240 тыс. км) показали, что износ деталей находился в допустимых пределах без ремонта. Аналогичные детали, восстановленные вибродуговой наплавкой под слоем флюса, показали ресурс всего лишь 90 тыс. км.
Внедрение. Результаты работы внедрены на Волоколамском авторемонтном заводе, на производственном объединении "Моссельхозре-монт", на производственном объединении "Мособлсельхозтехника".
Положительные результаты внедрения позволили сделать вывод о том, что предлагаемая технология восстановления деталей сельскохозяй 8 ственных машин имеет большие преимущества в реальных условиях ее использования. На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Разработка элементов технологии газопламенной наплавки напылением и результаты ее внедрения в практику восстановления деталей сельскохозяйственных машин. 2. Разработка нового расчетного метода определения толщины покрытия при газопламенной наплавке напылением. 3. Разработка нового расчетного метода оптимального выбора расстояния напыления. 4. Разработка нового метода оценки надежности покрытия, получаемого при газопламенной наплавке напылением. 5. Экспериментальное подтверждение высоких физико-механи ческих характеристик получаемых покрытий. 6. Экспериментальное подтверждение достоверности основных тео ретических выводов работы. Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: - на научно-технических конференциях МГАУ им. В.П. Горячкина в 1990-1998 г.г. -на научно-технических конференциях и семинарах ВЦ РАН ("Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем") в 1998 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в центральной печати и депонированы в виде статей. Общее число статей по теме работы 10, научных отчетов -7.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 3 таблицы, библиографию из 55 наименований. Содержание работы.
Состояние исследований в области разработки количественных методов изучения процессов напыления
В данном научном направлении выполнено значительное число научных исследований. Так в работе [1] приводится список литературы из 1840 источников. Однако упор делался в основном на экспериментальное изучение процессов напыления и качественный, описательный анализ процессов. Вопросам создания теории процесса, разработки количественных расчетных моделей уделялось значительно меньшее внимание. Например, до настоящего времени не решены следующие три задачи, условно называемые далее основными: 1. Разработка расчетного метода определения толщины слоя покрытия, получаемого в процессе напыления; 2. Разработка метода расчета оптимального расстояния напыления; 3. Разработка методов оценки надежности покрытия.
В связи с сокращением объема финансирования опытных работ в настоящее время следует уделить большее внимание созданию методов и математических моделей. Это с наряду с экспериментальными работами позволит дать расчетный прогноз возможностям и последствиям процессов напыления.
Отсутствие работ по решению задач 1...3 не означает, что исследования в области создания количественных моделей процесса нанесения покрытий вообще не проводилось. Напротив, число таких исследований велико. Так в монографиях [36,37] установлены основные факторы, влияющие на процесс напыления и определяющие прочность его сцеп ления с основным материалом. Это является первым, но важным этапом для последующего факторного анализа процесса. В работах [2,8] исследованы тепловые процессы на поверхности основы с вычислением температуры контакта и параметров удара частиц порошка при плазменном напылении. В качестве исходной теоретической модели принято уравнение теплопроводности вида дТ д2Т — -а— dt дх2 при задании начального условия Т(0,х) = fix). В результате находилась температура T(t,x) основы и температура контакта Т между расплавленной, деформирующейся при ударе частицы и твердой основой. Эти результаты позволяют оценить остаточные напряжения в покрытии.
В работах [9] та же задача решается в форме постановки двух краевых задач диффузии с учетом равновесного состояния твердой и жидкой металлических фаз при наплавке. Здесь также используется уравнение теплопроводности при дополнительном учете специфики краевых условий. В результате получаются явные соотношения для расчета концентраций указанных фаз и их распределение по толщине покрытия.
Следует заметить, что в области газопламенной обработки металлов теоретические исследования проведены в меньшем объеме. Здесь отметим работы [14,29], в которых уделяется внимание изучению газодинамики истечения струи газа из горелки. В адиабатическом приближении в [14,29] находятся соотношения для расчета оптимального диаметра расширяющейся выходной части сопла.
Одним из основных показателей качества покрытия является прочность его сцепления с основой. В данном направлении выполнены многие работы, например, [14,36]. В них найдены значения для действующих напряжений на площади соприкосновения покрытия и основы, а также остаточные напряжения. В качестве примера приведем известную формулу Стонея [36]: где стг - остаточное напряжение, Е2 - модуль продольной упругости основы, hi, h2- толщины покрытия и основы, р - радиус кривизны образца. Подобные методы могут быть использованы для оценки качества покрытия. Однако их нельзя считать исчерпывающими, так как качество покрытия определяется не только прочностью сцепления. Наиболее общим показателем качества процесса функционирования покрытия является его надежность. Однако еще не существует методов оценки надежности покрытия.
Технологические особенности предлагаемого метода газопламенной наплавки напылением
Процесс газопламенного напыления в предлагаемой технологии протекает в несколько этапов: распыление и полет частиц порошка, удар частиц о напыляемую поверхность, соединение частиц с поверхностью и между собой. До напыления частицы порошка имеют форму, близкую к сферической. Удары частиц порошка, находящихся в процессе полета в пластически или частично в расплавленном состоянии (легкоплавкая составляющая - эвтектика), приводит к сильному их деформированию.
Размер частиц для указанных сплавов выбирался в диапазоне от 40 до 120 мк. Напыленные покрытия отличаются макропористостью и неоднородностью структуры.
В получении хорошей адгезии между частицами и напыляемой поверхностью большую роль играет качество ее подготовки.
Подготовка поверхности перед напылением путем пескоструйной обработки или обработки металлической дробью приводит к значительному повышению потенциала энергии поверхности. Со временем активность поверхности уменьшается, так как окружающая среда адсорбцией или реакцией способствует снижению уровня свободной энергии. Поэтому процесс напыления желательно проводить сразу после предварительной обработки.
В случае запыленной поверхности применяют отсасывание пыли. При наличии твердой грязи, плохо сцепленной с поверхностью, используют зачистку жесткой или мягкой щеткой и отсасывание. При наличии твердой грязи, хорошо сцепленной с поверхностью, применят абразивную, пескоструйную или дробеструйную обработку частицами разных размеров. При этом используются: металлическая дробь, стеклянные бусинки, керамические гранулы. В случае органических загрязнений поверхности таких, как жир и масло, производится промывка в органическом растворителе. При наличии неорганических загрязнений типа окалины известного состава, например, ржавчина, применяются шлифовка; стравливание в соответствующей кислоте и (или) щелочи с промежуточной промывкой; электроочистка катодная (или анодная). В случае смоченной подложки производят промывку в чистой или деионизированной воде. При наличии неплотной окалины осуществляют травление в кислоте или щелочи и промывку. При наличии мелких частиц или мусора используется ультразвуковая очистка. В случае чрезмерной шероховатости поверхности детали может производиться соответствующая обработка давлением. Операция окончательного обезжиривания поверхности предусматривает очистку парами органического растворителя при принятии соответствующих мер предосторожности; растворители: трихлорэтилен, ксилол и т.п.[1].
Недостаточная сила сцепления напыляемого слоя с основным металлом, неполная реализация физико-механических свойств сплавов после этапа их напыления приводят к необходимости применения операции оплавления.
В предлагаемом способе нанесения покрытия эта операция производится в поле токов высокой частоты (ТВЧ), а также газовыми горелками и в печах с защитной атмосферой в интервале температур 950-1050С:
Наличие в составе самофлюсующихся сплавов боросиликатов различного состава способствует интенсивному раскислению пленок на частицах напыляемого сплава. Они же создает условия для хорошего смачивания поверхности и предотвращают окисление.
Таким образом, наплавка напылением представляет собой процесс, промежуточный между металлизацией и наплавкой, так как с одной стороны получается тонкий, диффузионно связанный слой прочностью сцепления 450-650 Мпа, а с другой стороны практически не происходит перемешивания покрытия с основным металлом, как при наплавке. В результате покрытие получается однородным и не имеет трещин.
Перегрев сплава при оплавлении сопровождается сильным огрублением формирующихся фаз, что приводит к значительному снижению физико-механических свойств покрытий. Поэтому важное значение имеет правильный выбор способа реализации этого процесса, исключающего перегрев.
Расчетный метод определения толщины покрытия при газопламенной наплавке напылением Для построения расчетного метода определения толщины покрытия
В гл.1 отмечалось, что покрытие, получаемое методом газопламенного напыления наплавкой, должно обладать следующим комплексом свойств: - высокая стойкость к окислению и горячей коррозии; - способность образовывать пленки защитных оксидов; - стойкость к охрупчиванию, например при науглероживании; - стойкость к образованию легкоплавких эвтектик; стойкость к образованию летучих продуктов; - хорошая адгезия; пластичность; - стойкость к термо- и механическим ударным нагрузкам, высокий предел термо-и механической усталости; - совместимость материалов покрытия и подложки по химическому составу, коэффициентам термического расширения и температурам вязко хрупкого перехода; - низкая пористость; - малая взаимная диффузия элементов между покрытием и подложкой; - отсутствие деградации свойств, связанной с переносом элементов и фазовыми превращениями; - способность к самозалечиванию повреждений; -отсутствие деградации механических свойств подложки после нанесения покрытий; - возможность восстановления поврежденных покрытий и их сварки; - доступность материалов покрытия и возможность эквивалентной замены используемых материалов; - оптимальное соотношение между экономической и технической эффективностью использования покрытий.
Одним из обобщенных показателей технологического и эксплуатационного уровня покрытия может служить критерий его надежности, под которым в данной работе понимается вероятность R безотказной функционирования покрытия на заданном интервале [0,to] времени при выполнении условий эксплуатации.
В настоящее время работ в области оценки надежности покрытий, получаемых методом газопламенного напыления, не имеется. В представленной диссертации делается первая попытка восполнить этот пробел.
Метод оценки надежности покрытия должен основываться на специфических особенностях процесса напыления. Метод имеет определенную общность и может быть использован также в других схемах напыления покрытий.
Надежность покрытия при его эксплуатации во многом определяется прочностью сцепления напыленного слоя с поверхностью детали. В свою очередь, на прочность сцепления влияют многие факторы, такие как: температура металлизированной поверхности; режим работы аппарата; давление кислорода (пропана); расстояние от точки распыла до напыляемой поверхности, скорость подачи порошка; скорость перемещения горелки относительно покрываемой поверхности. Особое место занимает группа факторов, определяющих качество подготовки поверхности. Кроме механического сцепления, прочность сцепления обеспечива ется за счет ряда других факторов. Так поверхностная обработка зависит от диффузии легирующих элементов в поверхностной области материала (пример-упрочнение поверхности при науглероживании, азотировании или борировании стали). Углерод и азот быстро диффундируют по междоузлиям кристаллической решетки, и азотирование ферритных сталей может проводиться уже при таких низких температурах, как 500 С. Диффузия А1 и Сг-представляет собой более медленный процесс, и для него требуются более высокие температуры [1].
Поскольку частицы напыленного материала имеют обычно оксидную пленку, их сцепление с поверхностью основного материала на некоторых микро участках происходит через оксидные пленки.
Повышение прочности сцепления покрытия достигается также за счет физических связей под действием вандервальсовых сил. Эти силы, как связи межатомного притяжения могут возникать только при сближении частиц покрытия с поверхностью металла на расстояние, близкое к параметру кристаллической решетки.
Надежность покрытия при его эксплуатации в значительной степени обеспечивается его износостойкостью.
Твёрдость и пористость материала зависят от глубины поверхности, то при установлении зависимости прочности покрытия и его износостойкости в общем случае необходимо учитывать не только временную, но и пространственную координаты.
