Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ применяемых методов упрочнения деталей почвообрабатывающей техники и задачи исследования 13
1.1 Примеры применяемых способов восстановления и упрочнения деталей конкретной номенклатуры 36
1.1.1 Материалы для наплавки деталей рабочих органов почвообрабатывающей техники 42
1.1.2 Способы дискретной наплавки лап культиваторов 43
1.1.3 Основная номенклатура быстроизнашивающихся деталей почвообрабатывающей и другой техники 45
1.1.4 Общая характеристика процессов химико-термической обработки стальных деталей 46
1.2 Выводы 55
1.3 Актуальность работы 56
1.4 Цель и задачи исследования 58
1.5 Объекты исследования 59
1.6 Научная новизна 59
1.7 Практическое значение 60
1.8 Рабочая научная гипотеза 61
Глава 2. Метод скоростного электродугового боронитроалитирования (ЭДУ) 62
2.1 Анализ влияния термических факторов на процесс диффузии бора, углерода, азота и алюминия в сталь 62
2.2 Сущность метода ЭДУ с применением специальных паст 67
2.2.1 Пасты и направления их использования 69
2.2.2 Термодинамический анализ взаимодействий химических компонентов в расплаве паст 72
Глава 3. Программа и методика исследований 76
3.1 Выбор числовых критериев оптимизации 76
3.2 Выбор управляемых переменных 76
3.3 Структура программы и методика исследования 77
3.4 Определение ограничений на управляемые переменные 78
3.5 Параметры измерений качества упрочнения методом ЭДУ 78
3.6 Формирование математической задачи оптимизации 78
3.7 Выбор метода максимизации функции 79
3.8 Экспериментальное планирование 80
3.9 Условия и порядок проведения экспериментов 83
3.10 Статистическая обработка опытных данных 85
3.10.1 Вычисление средних величин, исключение выскакивающих вариант 85
3.10.2 Оценка варьирования данных и границ доверительных интервалов средних 87
3.10.3 Оценка необходимого числа экспериментов и их обработка 89
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их обработка 93
4.1 Условия проведения ЭДУ с применением паст 93
4.1.1 Оценка необходимого числа измерений 95
4.2 Оборудование для ЭДУ 96
4.2.1 Устройство аппарата ЭДУ 97
4.2.2 Техническая характеристика 100
4.2.3 Работа с аппаратом ЭДУ 100
4.2.4 Особые требования при ЭДУ 101
4.3 Результаты упрочнения с применением боронитроалитирующих паст 103
4.3.1 Замеры твердости образцов различных сталей упрочненных боронитроалитирующими пастами 103
4.3.2 Испытание упрочняющих ЭДУ — покрытий на твердость и износостойкость 107
4.4 Исследование зависимости твердости и глубины упрочнения от величины тока, при использовании паст с борсодержащим и другими компонентами 111
4.5 Микроструктурный анализ 122
4.6 Оптимизация процесса электротермодиффузионного упрочнение деталей почвообрабатывающей техники 129
4.6.1 Математические задачи оптимизации для разработки компьютерной программы 129
4.6.2 Математическая модель оптимизации 135
4.6.3 Компьютерная программа оптимизации процесса электротермодиффузионного упрочнения 137
Глава 5. Расчет экономической эффективности от использования метода электродугового упрочнения (ЭДУ) деталей почвообрабатывающей техники 140
Выводы 142
Научные труды, публикации и изделия 146
Список литературы 147
Приложение
- Сущность метода ЭДУ с применением специальных паст
- Параметры измерений качества упрочнения методом ЭДУ
- Результаты упрочнения с применением боронитроалитирующих паст
- Расчет экономической эффективности от использования метода электродугового упрочнения (ЭДУ) деталей почвообрабатывающей техники
Введение к работе
В условиях неизбежного сокращения природных ресурсов возрастает значимость решения проблем, связанных как с ресурсосбережением, так и с существенным увеличением срока службы деталей машин.
Значительная доля металла расходуется на изготовление запасных частей машин и механизмов, идущих на поддержание машинотракторного парка в работоспособном состоянии. Изношенные детали в подавляющем большинстве идут в металлолом, хотя 90% их можно восстановить, упрочнить и повторно использовать при ремонте машин, увеличив их срок службы. Поэтому широкое развитие и практическое применение различных способов восстановления и упрочнения, наиболее часто выходящих из строя деталей, представляет актуальную, серьёзную научно-техническую и экономическую задачу, быстрое решение которой имеет огромное народнохозяйственное значение.
В связи с интенсивным развитием фермерских хозяйств и малых сельскохозяйственных предприятий, возникла проблема восстановления и упрочнения, быстро изнашиваемых деталей в условиях мелкосерийного производства. К таким деталям относятся в первую очередь рабочие органы почвообрабатывающих машин (диски борон, стрельчатые лапы культиваторов, сошники, наральники, лемеха плуга к др.).
Рабочие органы почвообрабатывающих машин в процессе эксплуатации интенсивно изнашиваются в результате абразивного износа на сухих песчаных почвах, т.к. содержащийся в них кварц имеет твердость до 1200 кг/мм , в то время как твердость металла составляет 350-400 кг/мм". При работе на глинистых и суглинистых почвах диски изнашиваются менее интенсивно.
Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации дисков борон следующие [49]: - износ режущей кромки по диаметру более 20 мм,
износ отверстий крепления дисков,
коробление диска по плоскости более 5мм.
Из-за затупления режущей кромки происходит выглубление диска из почвы и перерасход горюче-смазочных материалов. При затуплении лемеха плуга более 3-4мм тяговое сопротивление увеличивается на 25 %, расход топлива на 6-8 %; при затуплении более 2 мм лемех затачивается с рабочей стороны под углом 25. Способ восстановления - нагрев рабочей части и оттяжка. Лапы стрелочные затачивают через 2 смены. В результате износа и заточек ширина лапы культиваторов уменьшается на 12-15мм. В условиях индивидуальных или мелких хозяйств утраченную ширину лапы компенсируют оттяжкой. Для этого режущую кромку лапы на ширине 20мм нагревают в печи или кузнечном горне до 850 - 900С. Затем на наковальне ударами молотка перемещают металл от вершине к периферии [1, 65].
Интенсивному износу подвержены детали не только землеобрабатывающей техники, но и льноперерабатывающего и мясоперерабатывающего оборудования, строительных и мелиоративных машин по внесению удобрений, а также транспортное оборудование по очистке животноводческих ферм, детали горнодобывающей, дорожностроительной и др. техники.
Локальное пламя газовой горелки позволяет наплавлять узкие с достаточной толщиной валики, без каких-либо дополнительных технологических приемов.
Все перечисленные факторы весьма приемлемы для дискретной наплавки лап культиваторов.
Существенный вклад в разработке методов и технологий упрочнения внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Батищев А.Н., Бернштейн Д.Б., Бойков В.М., Бурченко П.М., Буцолич Е., Винокуров В.М., Виноградов В.Н., Горячкин В.П., Джонстон Р., Ермолов Л.С., Ерохин М.Н., Краснощеков Н.В., Крагельский И.В., Костецкий Б.И., Кузнецов Ю.А., Львов П.Н., Лялякин В.П., Михальченков A.M., Ниловский И.Л., Огрызков Е.П.,
Панов И.М., Пронин А.Ф., Рабинович А.Ш., Розенбаум А.Н., Севернее М.М., Сидоров С.А., Синсоков Г.Н., Тененбаум М.М., Хрущев М.М., Черноиванов В.И. и многие другие ученые.
Рисунок 1 - Дискретное упрочнение наплавкой с толщиной слоя 1-1,2
Упрочненная газопорошковой наплавкой (дискретными валиками) лапа культиватора представлена на рисунке 1. При наплавке дискретными валиками расход порошка снижается на 30 % по сравнению со сплошной наплавкой. При этом также снижается тепловложение в деталь на 15—20%. Наплавка производится валиками, расположенными перпендикулярно режущей кромке через 15-20мм. Габариты валиков: ширина 5,0-7,0мм, длина 10,0-15,0мм, высота 1,0-2,0мм. Твердость наплавленных валиков составила 58-65 при твердости основного металла 32-38 HRC. За счет полученного градиента твердости (почти в два раза) в процессе эксплуатации за счет эффекта самозатачивания ожидается получение пилообразного лезвия лапы культиватора и увеличение режущего лезвия на 25-30%.
Время наплавки одной лапы культиватора 25-35 мин, расход порошка 150-200 грамм.
В условиях мелких и частных фермерских хозяйств, применение газопорошковой наплавки для упрочнения лап культиваторов является приемлемой при отсутствии более рентабельного метода. Низкая производительность и высокая цена порошковых материалов, обеспечивающих вышеуказанную твердость, мешает газопламенной наплавке лап культиваторов стать оптимальным способом упрочнения.
На сахарных заводах для эффективной диффузионной экстракции сахара из свекловичной стружки, к последней предъявляются особые требования: во-первых, стружка должна быть длинной и гладкой, во-вторых, достаточно упругой, чтобы при транспортировке не происходило её измельчение.
Определенно одно, что для повышения ресурса режущей кромки свеклорезных ножей необходимо применять упрочняющие технологии.
В России особо остро стоит проблема повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники, так как ни один из предложенных в настоящее время методов не решает эту задачу на требуемом уровне, что приводит к огромным финансовым и трудовым потерям в сфере производства и эксплуатации с/х техники. Это подтверждается следующим: в сельском хозяйстве РФ имеется около 190 тысяч плугов (1140 тыс. лемехов), около 100 тыс. культиваторов (2000 тыс. лап). При упрочнении закалкой эти детали имеют низкий ресурс: работа до заточки лемехов 8 — 10 га, лапы культиваторов — через смену. Такие частые заточки быстро приводят к полному их износу и замене их новыми деталями. Объемная закалка не обеспечивает ни высокую износостойкость деталей почвообрабатывающей техники, ни их самозатачивание. Поэтому экономическая сторона работ по упрочнению деталей заключается в увеличении срока службы деталей за счет сокращения затрат на новые запасные части.
По мере износа и затупления рабочие части деталей подвергаются заточке для придания им нормальных функциональных качеств. Для увеличения срока службы производства применяют различные упрочняющие технологии. Без этого использование техники оказывается малорентабельным из-за больших издержек на приобретение запасных частей и затрат на частые ремонтные воздействия.
Упрочнение деталей в значительной степени решает эту проблему при условии правильного выбора методов, средств и организации технологического воздействия. Например, для увеличения срока службы рабочих органов почвообрабатывающих машин венгерской фирмой «Инновелд» были разработаны целевые установки для упрочнения рабочих кромок лемехов, круглых и зубчатых дисков борон, культиваторных лап. Но все они были рассчитаны на применение индукционной наплавки, что делает их стационарными и дорогостоящими, а учитывая высокую стоимость порошковых материалов и огромное потребление электроэнергии, то и экономически неоправданными.
Повышение надежности сельскохозяйственной техники является одной из важнейших предпосылок по обеспечению нашей страны необходимыми продовольственными ресурсами.
Показатели надежности машин тесно связаны с повышением долговечности и работоспособности их рабочих органов.
Наиболее существенный вклад в изучение эксплуатационных характеристик, работоспособности и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающей техники , внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Батищев А.Н., Винокуров В.Н., Горячкин В.П., Гусяцкий М.Л., Жук Я.М., Загоруйко А.Ф., Канарев Ф.М., Краснощеков Н.В., Лялякин В.П., Масюк С.К., Мацепуро М.Е., Нартов П.С, Панов И.М., Путинцева М.А., Розенбаум А.Н., Севернев М.М., Синеоков Г.Н., Стрельбицкий В.Ф., Ткачев В.Н., Черноиванов В.И., Буцолич Е., Джонстон
Р., Бетсвел E., Гордон А., Фриберг Р., Джоне Г., Гетцлафф П., Тейлор П., Тейлор Р., Годвин Д., Сейг Д. и др. [2,63,65,66,]
Анализ работ указанных исследователей осветил ряд теоретических и практических проблем, которые не были до настоящего времени решены.
В сельском хозяйстве для обработки почвы используются машины как с лемешно-лаповыми, так и с дисковыми рабочими органами. Последние менее подвержены забиванию сорняками и стерневыми остатками, что определило их широкое применение на плугах, боронах, лущильниках, сеялках и других машинах. Аналогично лемешно-лаповым дисковые рабочие органы эксплуатируются в абразивной среде - почве и по мере наработки вследствие изнашивания, изменяют свои формы и размеры, что отрицательно влияет на агротехнические и энергетические показатели той или иной операции обработки почвы [65].
В бывшем СССР изготавливалось около 2,5 млн. дисков лущильников и борон ежегодно в запасные части, что соответствует расходу 28 тыс. тонн металлопроката. Однако номенклатура выпуска дисковых рабочих органов ограничивалось всего 4-5 модификациями для комплектации дисковых борон, лущильников и плугов. В то же время ведущими западными фирмами-производителями дисковых орудий и рабочих органов к ним - «Джон Дир» (США), «Форже де НиО» (Франция), «Ла Пина» (Испания) и др. -изготавливается по 20-35 различных модификаций сферических дисков и это количество постоянно увеличивается. Этот факт свидетельствует о том, что зарубежные фирмы идут по пути совершенствования дисковых рабочих органов в направлении более эффективного применения с точки зрения улучшения агротехнических и энергетических характеристик, исходя из конкретных агрономических требований обработки почвы [65].
Сопоставление химического состава и твердости, а также данных по обработке рабочих органов ведущих зарубежных фирм с аналогичными их показателями отечественного производства (по ГОСТ 198-75) показывает, что рабочие органы, выпускаемые фирмами США, Англии, Франции, ФРГ
значительно превосходят их отечественные аналоги по прочности и имеют на 20-30 % выше износостойкость.
Очевидно, выход следует искать в применении износостойкости твердых композиционных сплавов, для упрочнения деталей почвообрабатывающей с/х техники.
Упрочнение деталей - мероприятие технически обоснованное и экономически оправданное. Экономическая сторона работ по упрочнению деталей заключается в увеличении срока службы детали за счет сокращения затрат на новые запасные части. Долговечности многих упрочненных деталей можно улучшить геометрию, повысить твердость и износостойкость рабочих поверхностей, что позволяет увеличить исходный ресурс деталей [56, 68].
При взаимодействии массы зерен абразива с поверхностью изнашивание металлов носит в основном многоцикловой характер, что наблюдается даже в таких тяжелых условиях работы, как взаимодействие рабочих органов строительной техники с грунтом.
Стойкость абразивному изнашиванию зависит также от состава и структуры поверхностных слоев металлов. Оптимальная износостойкость структуры достигается при высоком сопротивлении материала сжатию, сдвигу, значительной силе молекулярно-механического сцепления структурных составляющих, сочетанию твердости и вязкости при отсутствии хрупкости; высокой теплопроводности; при небольшом различии температурных коэффициентов расширения фаз, высокой насыщенности и равномерности микрораспределения легирующих элементов, устойчивости против коррозии.
Таким образом, рабочие органы почвообрабатывающих машин выходят из строя вследствие абразивного изнашивания, интенсивность которого зависит от механического состава почвы, влажности, соотношения твердости абразива и материала изнашиваемой детали, структуры материала рабочей поверхности детали.
В отечественном сельскохозяйственном производстве при эксплуатации с/х орудий возникают серьезные проблемы по надежности рабочих органов.
Они заключаются:
в низкой стойкости (уменьшении диаметра, затупления лезвия), которая сказывается на качестве обработки;
в пониженной прочности (поломках, изменениях первоначальной формы и т.д.).
В настоящее время к способам восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, рекомендуемых традиционными литературными источниками, относятся следующие:
-восстановление геометрической формы пластическим
деформированием (оттяжка);
- замена режущей части на новую;
-нанесение износостойких твердосплавных материалов.
Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи: разработать новый метод и оснастку, обеспечивающее восстановление и упрочнение изношенных деталей теоретически обосновать и экспериментально испытать подобный комплексный состав материалов с оптимизацией режимов.
Теоретическое обоснование формирования композиционных составов базируется на разъяснении современной физики металлов, причин их пластичности, прочности и ее увеличения. Данные качества композиционных материалов важны, т.к. работоспособность упрочняющего слоя зависит не только от твердости, но и от способности противостоять ударным и деформирующим нагрузкам. Причиной этому является недостаточная прочность (хрупкость) сверхтвердых компонентов. Композиционные материалы с металлической, более мягкой, а значит эластичной матрицей решают эту проблему прочности композиционного покрытия [31].
Экспериментальная задача заключается в отработке токовых режимов и производительности, обеспечивающих получение высокой микротвердости покрытия, что даст возможность приблизиться к нижнему пределу критерию Кг., что практически может решить проблему высокого ресурса деталей почвообрабатывающей и другой техники.
Важнейшее достоинство упрочнения - низкая металлоемкость. Для
упрочнения деталей необходимо в несколько раз меньше металла, чем для
изготовления новых.
Одним из путей повышения ресурса техники, снижения расхода
запасных частей является внедрение в производство технологии упрочнения
с использованием метода электродугового упрочнения с применением
твердых композиционных порошковых материалов и различных паст.
В первой главе диссертационной работы изложен анализ применяемых
в настоящее время способов упрочнения быстроизнашивающихся деталей, а
также дано общее описание предлагаемого к разработке способа
электродугового упрочнения, его новизны и преимущества.
Сущность метода ЭДУ с применением специальных паст
Поверхностное химико-термическое упрочнение с использованием плазмы дугового разряда привлекает большой простотой аппаратурного обеспечения по сравнению с известными высококонцентрированными промышленными источниками энергии (ВИЭ).
Процессы, происходящие при воздействии дугового разряда на металл, во многом аналогичны процессам при обработке другими ВИЭ - это касается теплообмена и фазово-структурных превращений.
Обработка ведется по схеме прямой и косвенной дуги с использованием графитового электрода диаметром 6-10 мм, перемещая его вдоль поверхности детали.
Упрочнение поверхностного слоя сплавов при указанных схемах обработки основано на совместном тепловом и химическом воздействии дугового разряда, определяющего структуру, формирующуюся при последующем охлаждении.
Горение дуги сопровождается нагревом графитового электрода и испарением его материала с образованием углеродного пара, диффундирующего в оплавившуюся поверхность. При этом расплавляется нанесенная на деталь паста; входящие в неё химические компоненты диссоциируют на активные элементы: бор, азот, углерод, которые также диффундируют в поверхностный слой детали. Таким образом поверхность насыщается упрочняющими элементами вследствие термодиффузионного процесса.
В этом случае образуется в поверхности комплексный упрочняющий состав из карбидов: кроме цементита (FeC) и карбида (Fe2C), нитриды (Fe4N, Fe3N), карбид бора (ВСД нитрид бора (BN), на внешней зоне диффузионной поверхности бориды (FeB), на внутренней зоне бориды - FeB2, а также карбонитридные включения Fe2(N,C), Fe3(N,C). В поверхностном оплавленном слое образуются металлокерамические соединения железа с корундом (расплавленным А12Оз) или с карборундом (SiC) и др. упрочняющие компоненты.
Борированные слои обладают исключительно высокой твердостью (до 8000 HV) и высоким сопротивлением абразивному износу вследствие образования высокотвердых боридов железа — FeB и Fe2B. Однако, образованные слои очень хрупкие, поэтому целесообразно применять для борирования многокомпонентные пасты и высокотемпературный режим, обеспечивающий оплавление поверхностного слоя детали с образованием сложной металлокерамической структуры, не обладающей хрупкостью.
Для осуществления термодиффузионных процессов упрочнения требуется сложное, энергоемкое оборудование, применение которого возможно только в стационарных «заводских» условиях. На практике требуется выполнять упрочнение в условиях мастерских, фермерских хозяйств и малых сельскохозяйственных предприятий, РТП, МТС и даже в полевых условиях. Поэтому необходимо для устранения пробела в сфере применения термодиффузионных упрочняющих технологий требуется разработать и исследовать новый метод упрочнения, который отвечал бы выдвинутым требованиям. Кроме мобильности он должен обладать простотой в использовании, быть не энергоёмким и характеризоваться высокой производительностью.
Для борирования методом ЭДУ предлагается использовать многокомпонентные составы, представленные ниже. В них протекают многообразные химические реакции между отдельными компонентами расплавленной пасты и на поверхности диффундируемой стали, которые недостаточно изучены. Для исследования предлагается следующие основные пасты: а) Паста №1 - основное предназначение которой, упрочнение деталей, работающих в условиях абразивного износа, в частности рабочих деталей почвообрабатывающей техники, % по массе: -6ypa(Na2B407)-25; - карбид бора (ВС4) - 60; - алюминиевый порошок (А1) - 5; - кальцинированная сода (Na2CC 3) - 10; - связующее — крахмал.
Для борирования возможно применение паст №2 для упрочнения деталей работающих в условиях абразивного износа. Эта паста представляет практический интерес в связи с исключением из рецепта дорогого Карбида бора и компенсацией его более дешевой бурой
Параметры измерений качества упрочнения методом ЭДУ
Целевые функции: f,(T) = (I, S) - max; f,(T) = f(x); f2(h) = (I, S) -+ max; f2(h) = f(y), где 60 K110;5 S. Задача оптимизации - максимизировать целевые функции с учетом ограничений на управляемые переменные. Под максимизацией функции п переменных f(x) = f(xi.. .xn ), f(y) = ї(Уі---Уп ) на заданных множествах Ui,2, ni;2 мерных векторных пространств понимается определение хотя бы по одной точке максимума этих функций на множествах Ui и U2 . При записи математических задач оптимизации в общем виде обычно используется следующая символика: f(x) —» max; f(y) — max; хЄиі; уЄШ, где f(x), f(y) — целевые функции Ul, U2 допустимые множества, заданные ограничениями на управляемые переменные. С целью сокращение объемов экспериментальных работ все целевые функции будем рассматривать как функции, зависящие от одной переменной, например величины тока (I) при постоянной производительности (таблица 7), а допустимым множеством результатов замеров функций принимаем, как отрезок вещественной оси: f(x) — max; f(y) — max; хЄ[а,Ь];уЄ[а,Ь]. Исходя из вышесказанного запишем: ТІ = f(I); Т2 = f(S); hi = f(I); h2 = f(S).
Эксперименты проводятся в соответствии с программой, изложенной в таблице 7. После получения эмпирических зависимостей функций, полученных на основе экспериментальных данных, формируется окончательное выражение математических моделей для разработки компьютерной программы оптимизации. Планирование эксперимента для оптимизации технологического процесса двухкомпонентной системы. Изменение признаков в системе зависит от двух переменных величин (факторов) - величины тока (I) и производительности процесса (S), т.е. Нй = fj (I), Нц= її (S), Нц- микротвердость, кгс/мм . Указанные функции в зависимости от влияющих факторов представляют собой функционалы вида: Нці = fi (ІЬ І2, In) Нц2 = $2 (Si, S2, ... Sn) Математические модели, получаемые с помощью методов планирования эксперимента являются эмпирическими. Число проводимых экспериментальных исследований по рекомендациям равно: N = 2Р 3 = 2 3 = 12, где р = 2 — число переменных факторов I, S. Ниже приведем матрицу планирования в таблице 8, в которую включены исследуемые факторы и функции отклика Нці и Н 2 Число параллельных опытов при проведении эксперимента равняется п=12 воспроизводимость результатов измерений оценивалась по критерию Кохрена значимость коэффициентов уравнения регрессии по критерию Стьюдента, а адекватность уравнения регрессии по критерию Фишера при уровне доверительной вероятности не ниже 0,95 [94]. Число параллельных опытов (к) при I = 80 А и S = 200 мм/мин принято равным 4. Проверка воспроизводимости опытов оценивается по критерию Кохрена по формуле: Gp = max Si2/Si2 G (27) где Sj2 - максимальная величина дисперсии серии параллельных опытов; ]TSi - сумма оценок дисперсий каждого из опытов; Gp и G — расчетное и табличное значение критерия Кохрена [94].
Оценку дисперсии для каждой параллельной серии опытов определяем по зависимости: Si2 = l/(k-l) (уц - )2 (28) где к - число параллельных опытов, у І - среднее арифметическое значение функции отклика. л=1/к I yy(i=l,2...N) (29) При расчете воспроизводимости по критерию Кохрена, используя данные таблиц 9 и 10 получены следующие данные: расчетные значения критериев Кохрена Gpi = 0.390, Gp2 = 0.414, табличное Gi 2 = 0.684 - это значит, что все опыты воспроизводимы с доверительной вероятностью 0,95. По полученным результатам эксперимента, приведенным в таблице 8 были составлены уравнения регрессии, позволяющие определить связь факторов, влияющих на микротвердость Нд] и H(l2 упрочненных образцов. Учитывая, что количество внешних факторов равно двум, уравнение регрессии в общем виде представлено зависимостью:
Результаты упрочнения с применением боронитроалитирующих паст
Поверхностное термодиффузионное упрочнение с использованием дугового разряда (ЭДУ) привлекает большой простотой аппаратурного исполнения по сравнению с хорошо известным высококонцентрированным источником энергии (ВИЭ). Процессы, происходящие при воздействии дугового разряда на металл, во многом аналогичны процессам при обработке другими ВИЭ, что касается теплообмена и фазово-структурных превращений. В соответствии с программой и методикой экспериментальных исследований разработаны 11 химических составов паст для борирования и нитроцементации. Выполнено с пастами 55 экспериментальных работ по определению оптимальных режимов: величины тока (I), производительность упрочнения (S мм2/мин) и толщины пасты 8 мм. ЭДУ выполнялась косвенной дугой с использованием графитовых электродов марки STARWELP диаметром 10 мм, перемещая горелку по поверхности детали с вращательным движением по спирали. Упрочнение возможно и прямой дугой одним электродом. После ЭДУ образцы подвергались термообработке в соответствии с режимами, приведенными в главе 2 диссертации. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблицах 19-26. При исследовании были использованы пасты следующих составов: а) Паста №1: - бура (Na2B407) - 25%; - карбид бора (ВС4) - 60%; - алюминиевый порошок (А1) или (М2Оэ) - 5%; - кальцинированная сода (Na2CC 3) — 10%; Связующее - крахмал. Паста №1 - основное предназначение которой, упрочнение деталей, работающих в условиях абразивного износа, в частности рабочих деталей почвообрабатывающей техники.
Лучшие результаты (65HRC) получены при I = 80А, S = 100-200 мм/мин и I = 110А, S = 100 мм/мин, толщина пасты 4 мм, закалка в воде. Производительность процесса ЭДУ с применением паст является ограничивающим фактором: с её увеличением до 250 мм/мин твердость падает, что отмечено на рис. б) Паста №2: - бура (Na2B407) - 60%; - графитовый порошок (С) - 25%; - алюминий (А1) или (А1203) - 5%; - кальцинированная сода - 10%. в) Паста №3: - бура - 70%; - карбид бора - 10%; - хлористый натрий (NaCl) - 5%; - графитовый порошок - 5%; - нитрит натрия (NaNC ) - 5%. д) Паста №4: - бура - 75%; - графитовый порошок - 5%; - (А1) или (А12Оз) - 5%; - кальцинированная сода - 10%; - нитрит натрия (NaN03) - 5%. Пасты №3 и №4 также предназначены для упрочнения деталей, работающих в абразивной среде. Пасты обеспечивают твердость 61 HRC. Паста №4 представляет практический интерес в связи с исключением из рецепта дорогого карбида бора и компенсацией его более дешевой бурой , получая тот же результат по твердости. Оптимальные технологические режимы: I = 80А, S = 200 мм/мин, 5 = 4 мм, закалка в воде. е) Паста №5: - бура - 67%; - карбид бора - 10%; - оксид железа (Fe203) - 2%; - медь (Си) - 3%; - фтористый натрий (NaF) -5%; - нитрид натрия (NaN02) - 10%. При использовании для ЭДУ пасты №5 получена твердость ст.ЗО, ст.40, ст.65Г 64-66 HRC. Паста №5 применима для упрочнения рубильных ножей из стали 6ХС. Оптимальные режимы: I = 80А, S = 200 мм/мин, 5 = 4 мм. ж) Паста №6: -бура-35%; - карбид бора - 25%; - криолит (№3АШб) - 26%; - фтористый натрий (NaF) -4%; - нитрид натрия (NaN02) - 10%. Из всех исследуемых паст, наиболее высокие и стабильные показатели твердости обеспечивает паста №6: 65-68 HRC по ст.ЗО, ст.40, ст.65Г. Технологические режимы: I = 80A, S = 200 мм/мин, 5 = 4 мм.
Расчет экономической эффективности от использования метода электродугового упрочнения (ЭДУ) деталей почвообрабатывающей техники
Информационные данные, используемые в расчете, взяты из опубликованных источников и исследований в ГОСНИТИ в 2007 - 2008 гг. 5.1 Технологические операции ЭДУ: - оснастка упрочняемых поверхностей от загрязнений и коррозии; - нанесение такого слоя 2.0 мм пасты, содержащей компоненты бора, алюминия, азота, кремния; - обработка слоя пасты косвенной дугой до полного её расплавления и образования связи с подплавленной поверхностью подложки; - очистка стальной механизированной щеткой поверхности упрочнения; - нагрев в печи до 830 - 850 С с выдержкой не более 5 мин, закалке в 10% растворе NaCl или NaOH; - низкий отпуск с нагревом до 185, выдержки в печи 2 мин, остывание; 5.2 Производительность одного аппарата ЭДУ-3: - лап культиваторов «Паук» - 3,6 (захват 3,6 м, количество лап 12) - одна лапа- 12 мин; - диск В2-2-650 - один диск - 24 мин. 5.3 Расход электроэнергии при упрочнении и закалке: - одной лапы культиватора — 1,8 кВт/час, стоимость электроэнергии при упрочнении одной лапы культиватора (Элк) - 9,7 руб.; - при упрочнении диска - 3,6 кВт/час, стоимость электроэнергии при упрочнении одного диска (Эд) - 19,4 руб. 5.4 Стоимость расходных материалов на упрочнении: - одной лапы культиватора (Млк) — 15 руб.; - одного диска бороны (Мд) - 40 руб. 5.5 Расход электроэнергии для нагрева в печи под закалку или отпуск: - нагрев лапы культиватора - 0,2 кВт, стоимость —1,1 руб.; - нагрев диска - 0,4 кВт, стоимость 2,2 руб. 5.6 Стоимость расхода графитовых электродов на упрочнение: - одной лапы культиватора (ГЭЛК) - 7 руб.; - одного диска бороны (ГЭЛК) - 20 руб. 5.7 Общие трудозатраты с учетом подготовительно-заключительного времени (30% от основного) составляют при упрочнении: - лапы культиватора - 30 мин; - диска бороны - 45 мин. 5.8 Стоимость рабочей силы при упрочнении лапы культиватора (Ссрлк) — 30,24 руб., диска бороны (Ссрд) - 58,5 руб. 5.9 Годовая программа (Нг) упрочнения одним аппаратом: - лап культиваторов (Нглк) 352 х 12 = 4224 шт.; - дисков борон (Нгд) - 226 х 12 = 2712 шт. 5.10 Общие затраты средств одной детали на упрочнение, руб. При использовании одного комплекта ЭДУ-3 для упрочнения лап культиваторов и дисков борон годовой экономический эффект (Эф) с учетом увеличения 3 раза ресурса упрочненных лап и дисков методом ЭДУ по сравнению с заводской технологией закалки составляет: увеличение ресурса; Цн — цена новой детали, руб./шт. При расчете Эф не учтены потери от использования неупрочненных деталей, которые необходимо регулярно затачивать (как минимум один раз за 2 смены работы агрегата). Детали, упрочненные методом ЭДУ обладают свойством к самозатачиванию. 1. В России особо остро стоит проблема повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники, так как ни один из применяющихся в настоящее время методов упрочнения не решает эту проблему, что приводит к огромным финансовым и трудовым потерям в сфере производства и эксплуатации с/х техники. Это подтверждается следующим: в сельском хозяйстве РФ имеется около 212 тысяч борон и лущильников (4240 тыс. дисков), около 156 тыс. плугов (936 тыс.лемехов), около 188 тыс. культиваторов (3760 тыс. лап культиваторов). Эти рабочие органы и др. имеют низкий ресурс: например, работа без заточки лемехов 8... 10 га, лапы культиваторов -ежесменно. Такие частые заточки естественно быстро приводят к полному их износу и замене новыми деталями. 2. Анализ литературных источников и информации с с/х предприятий показал, что известные термодиффузионные методы упрочнения (цементация, нитроцементация, азотирование и борирование) сложны, энергоемки, непроизводительны, применяются только в заводских условиях с использованием специального оборудования, глубина упрочнения низкая (азотирование 0,6 мм в течение 40 часов, борирование 0,2 - 0,5 мм в течение 4-5 часов. 3. На практике применяются закалка или наплавочные методы, ТВЧ плазма с использованием стационарного энергоемкого оборудования и дорогостоящих порошковых материалов. 4. Из этого следует вывод, что для заводов-изготовителей почвообрабатывающей техники, для ремонтных заводов, РТП, МТС и фермерских мастерских более целесообразно исследовать и разработать метод упрочнения, который лишен указанных недостатков существующих технологий повышения износостойкости. 5. Известные термодиффузионные методы упрочнения, цементацией и нитроцементацией, используемые на заводах - изготовителях техники и запчастей, не отвечает требованиям к условиям работы деталей в абразивных условиях по причинам недостаточной глубины упрочнения и не обеспечения самозатачивание деталей из-за объемной последующей закалки.
