Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 6
1.1 Анализ износов лемехов плугов 6
1.2 Анализ способов восстановления и упрочнения лемехов плугов 8
1.3 Пайка как перспективный способ восстановления лемехов плугов 14
1.3.1 Классификация способов пайки 17
1.3.2 Использование водородно-кислородного пламени для пайки 23
1.4 Материалы, применяемые при пайке металлокерамики к лемеху плуга 25
1.5 Выводы и задачи исследований 32
2 Теоретическое обоснование прочности паяных соединений при использовании водородно-кислородного пламени 35
2.1 Особенности напряженного состояния в паяном шве 35
2.2 Максимальные касательные напряжения в паяном шве 36
2.3 Анализ распределения напряжений 38
2.4. Выводы 42
3 Методики экспериментальных исследований 44
3.1 Программа исследований 44
3.2 Методика исследований 44
3.3 Оборудование и материалы для проведения исследований 46
3.4 Методика определения коэффициента трения металлокерамики о почву 49
3.5 Методика определения смачивания поверхности материалов припоями по краевому углу и площади растекания 51
3.6 Методика определения заполнения зазора припоем 53
3.7 Методика контроля прочности сцепления покрытия 54
3.8 Методика испытаний на усилие разрыва и сдвига, спаянных образцов 54
3.9 Методика проведения полнофакторного эксперимента 56
3.10 Методика коррозионных испытаний 59
3.11 Методика оценки скрытых дефектов в паяном шве 60
3.12 Методика определения абразивной износостойкости
металлокерамических пластин в лабораторных условиях 61
3.13 Методика эксплуатационных испытаний 63
4 Результаты экспериментального исследования 68
4.1 Результаты исследований прочности паяных соединений «металлокерамика-лемех» 68
4.2 Результаты исследований по определению коэффициента трения металлокерамики о почву 79
4.3 Исследование смачивания материалов припоями по краевому углу и площади растекания 80
4.4 Исследования прочности сцепления металлокерамических пластин... 82
4.4.1 Испытания термоциклирование 82
4.4.2 Испытания спаянных образцов на усилие разрыва и сдвига 82
4.5 Результаты коррозионных испытаний 87
4.6 Оценка скрытых дефектов в паяном шве 89
4.7 Исследования абразивной износостойкости металлокерамических пластин в лабораторных условиях 90
4.8 Эксплуатационные испытания 92
4.9 Выводы 100
5 Технологический процесс и его технико-экономическая эффективность 102
5.1 Технический процесс восстановления лемехов плугов с применением водородно-кислородным пламени 102
5.2 Экономическая эффективность восстановления лемехов плугов 107
5.3 Выводы 113
Общие выводы 115
Список литературы
- Пайка как перспективный способ восстановления лемехов плугов
- Максимальные касательные напряжения в паяном шве
- Методика определения коэффициента трения металлокерамики о почву
- Результаты исследований по определению коэффициента трения металлокерамики о почву
Введение к работе
Лемех плуга, является одним из наиболее быстроизнашивающихся рабочих органов. Основная причина отказа - ускоренное абразивное изнашивание, обусловленное взаимодействием с твердыми (HV 8-11 ГПа) минеральными частицами, содержащимися в почве. Анализ причин выбраковки серийных лемехов показал, что более половины лемехов, имеющих еще значительный запас неизношенного металла по ширине, выбраковывают по причине преждевременного износа носка.
В последние годы за рубежом большое внимание уделяется применению металлокерамики для повышения износостойкости рабочих органов сельскохозяйственных машин.
В результате этих исследований современные ученые показали возможность, при упрочнении лемехов, использовать клей, для соединения металла с керамикой, для чего рекомендуют применять клеи марки ВК-36 и КМКС-18Т. Данные клеи обеспечивают прочность соединения в пределах 40-50 МПа. Так же известно, что наиболее приемлемой схемой упрочнения лемехов является упрочнение носка и лезвия с лицевой стороны керамикой прерывистого расположения.
Настоящая работа посвящена исследованию способа крепления - пайки металлокерамических пластинок на металл лемеха с использованием водородно-кислородного пламени.
Так как в современном инструментальном производстве при механической обработке деталей, выбраковывается большое количество резцов с металлокерамическими пластинами марок ВК-8, Т5К10, Т15К6 и др., то целесообразно, вместо утилизации этих пластин, использовать их для восстановления и упрочнения лезвий лемехов сельскохозяйственных машин.
Использование утилизированных металлокерамических пластин для восстановления и упрочнения лемеха плуга пайкой их на режущую кромку, требует исследования режимов пайки, выявления необходимого состава флюса, припоя, проведения лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Из работ Кряшкова В.М., Ульмана И.Е., Лялякина В.П., Рабиновича А.Ш., Горячкина В.П., Бернштейна Д.Б., Новикова B.C., Константинова
B.M., Пантелеенко Ф.И., Михальченкова А.Н., Беликова И.А. и др. видно, что современным и перспективным способом восстановления и упрочнения лемехов плугов является применение керамических материалов. Известно, что органы почвообрабатывающих машин, восстановленные керамическими материалами, имеют износостойкость в 8... 10 раз большую, чем износостойкость серийных рабочих органов. Широкое применение технологии восстановления и упрочнения лемехов плугов керамическими материалами сдерживается дороговизной изготовления керамики и отсутствием технологии крепления керамики к лемеху, обеспечивающей необходимую сцепляемость керамической пластины с лемехом.
Исследования Корж В.Н., Шашкова А.Н., Клебанова Н.Н., Щетенкова Е.С, Лашко СВ., Лашко Н.Ф., Сковородина В.Я., Голубева И.Г., Семешина А.Л. и др. показали что, наиболее рациональным способом, обеспечивающим необходимую сцепляемость металлокерамических пластин с металлом лемеха, может быть пайка с применением водородно-кислородного пламени.
Предложенная технология восстановления и упрочнения лемехов плугов позволяет значительно снизить затраты на приобретение новых деталей и позволяет увеличить ресурс восстановленных и упрочненных лемехов в 4...5 раз в сравнении с ресурсом новых деталей.
Восстановление лемехов с использованием электролизеров водородно-кислородной смеси, сдерживается отсутствием технологии и рациональных режимов пайки.
В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии восстановления и упрочнения пайкой металлокерамических пластин на металл лемеха водородно-кислородным пламенем. Работа выполнена на кафедре «Надежность и ремонт машин им. И.С. Левитского» ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», совместные исследования проводились на кафедре «Надежность и ремонт машин» ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» и на кафедре «Ремонт и надежность машин» ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет» имени В.П. Горячкина.
Пайка как перспективный способ восстановления лемехов плугов
Газопламенная обработка металлов является одним из основных производственных процессов на большинстве промышленных предприятий различных отраслей народного хозяйства. Она характеризуется значительной гибкостью технологических процессов и поэтому, несмотря на производственные преимущества электрических способов обработки, находит все большее применение [90].
К газопламенной обработке относят совокупность технологических процессов обработки материалов газокислородным и газовоздушным пламенем с целью соединения, разделения, изменения формы и физико-механических свойств, а также получения локальных покрытий с заданными свойствами. В настоящее время газопламенная обработка объединяет более 30 методов. Классификация существующих способов газопламенной обработки приведена на рисунке 1.3.
Наибольшее применение в промышленности из представленных способов газопламенной обработки имеют сварка, пайка и кислородная резка.
Пайка в современном производстве и ремонте техники, наряду со сваркой является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений [103]. Одно из важнейших достоинств пайки -образование паяного шва при температуре ниже температуры плавления соединяемых металлов.
Поэтому ее можно производить в условиях общего нагрева, что является преимуществом данного способа.
Способ также позволяет: - механизировать и автоматизировать процесс; получать паяные соединения в малодоступных и скрытых местах изделий; производить пайку тонкостенных изделий без деформаций; получать соединения металлов с металлами, а также металлов с неметаллами; получать соединения практически без внутренних напряжений; быстро разъединять паяные изделия при температуре ниже температуры плавления паяемых материалов; производить ремонт в стационарных и полевых условиях; применять различные источники нагрева паяемого соединения; сохранять точную форму, размеры и химический состав деталей; сохранять структуру и механические свойства металла, обеспечить простоту и легкость последующей обработки; обеспечить низкую себестоимость восстановления деталей; обеспечить изготовление сложных по конфигурации узлов конструкций, состоящих из множества элементов за один производственный цикл (нагрев); обеспечить снижение металлоемкости и повышение коэффициента использования материалов; получать равнопрочные с основным металлом соединения, по своей надежности превышающие, в ряде случаев, надежность сварных соединений, за счет варьирования размеров соединяемых поверхностей (величины нахлестки).
Переход от понимания процессов образования соединения при пайке к управлению качеством паяемых соединений возможен лишь при учете быстро, накапливающейся информации в области теории, технологии и техники пайки, что требует системного подхода и переработки такой информации для проектирования технологии и технологических процессов. [103]
Современные способы пайки в соответствии с ГОСТом 17349 принято классифицировать по следующим признакам: удалению оксидной пленки, кристаллизации паяного шва, получению припоя, заполнению зазора припоем, источнику нагрева, значению давления на паяемые детали, одновременности выполнения паяных соединений. Классификация способов пайки представлена на рисунке 1.4. [89]
Пайка в печах с контролируемой атмосферой. Для работы используются конвейерные, шахтные, камерные, колпаковые, элеваторные печи и др. Границы применения: толщина деталей 1 - 10 мм. Материал: углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали, медь и твердые сплавы. Область использования: массовое производство однотипных деталей, автомобилестроение, полупроводниковая и электронная промышленность, изготовление твердосплавного инструмента, теплообменников, холодильников и др. изделий.
Перед пайкой необходима тщательная подготовка поверхности деталей. Защитная атмосфера должна быть чистой и сухой. Пайку низколегированных сталей выполняют в среде пропана. Нержавеющие и высоколегированные стали паяют в атмосфере сухого водорода или диссоциированного аммиака. Требуемое положение паяемых элементов обеспечивают с помощью самофиксирования, развальцовки, клепки, насечки, плотной посадки или специальных приспособлений. Температура детали на выходе 100 - 200С.
При использовании защитного газа, содержащего более 10 % водорода, следует учитывать возможность взрыва при доступе воздуха. Металлы, склонные к азотированию, не следует паять в азотно-водородной среде.
Данный способ пайки невозможно применять при проведении ремонтных работ на лемехе плуга, так как лемех полностью будет подвергаться нагреву.
Максимальные касательные напряжения в паяном шве
Использование водородно-кислородного пламени при пайке является сравнительно новым способом восстановления и упрочнения, отличающимся от известных способов клеевых соединений, так как оно более прочное при динамических воздействиях на лемех плуга, В работах [13, 30] отмечается, что прочность соединений металл-керамика, получаемых данным способом, определяется, во многом, марками клея и температурой.
В виду отсутствия теоретической базы, позволяющей объяснить возможность получения прочных паяных соединений способом пайки водородно-кислородным пламенем металлокерамических пластин на металл лемеха плуга, нами были проведены теоретические исследования напряженного состояния в паяном соединении.
При оценке прочности паяных соединений необходимо учитывать сложный характер напряженного состояния, возникающего в их элементах под нагрузкой. Прочность паяного соединения определяется, прежде всего, особенностями напряженного состояния в паяном шве, поэтому, основное внимание уделим анализу напряжений в паяных швах соединений внахлестку (рис. 2.2). Будем считать, что напряжения в шве не превышают предела упругости припоя, тогда, для паяного соединения, можно использовать данные, полученные для клеевых и паяных соединений в пределах упругости.
Напряженное состояние в паяном соединении считается плоским, в результате сдвиговых усилий в исследуемых деталях возникают только касательные напряжения (т), которые согласно [52] составляют 0,5...0,6 от допускаемых значений нормальных напряжений (а): т = (0,5...0,6)0 (2.1)
Кроме того, поскольку соединяемые детали являются закладными, то необходимо произвести расчет на отрыв, при котором расчет производится по нормальным напряжениям (рис. 2.2).
Приближенно расчет на прочность нахлесточных паяных соединений можно вести по максимальным касательным напряжениям ттах, возникающим на краях нахлестки. Для вычисления ттах используют несколько зависимостей.
Для расчета соединений с упругим швом Перри Г.А. предложена формула: Ко - безразмерный параметр определяемый графически. Согласно [53] для данного соединения Ко=0,65. пластин (сталь лемеха плуга Л65 и металлокерамической пластины из сплава ВК-8) составляет по формуле (2.2) Кт = 8,3; по формуле (3) KT=8,4h /г, =10 мм, Л2=20 мм, = 0,2 мм, ,=160 ГПа, 2=220 ГПа, G = 8-1010 Па.
Полученные значения мало отличаются друг от друга, поэтому оценочный расчет проводим по формуле (2.2). 2.3 Анализ распределения напряжений
Напряжения, по Сажину A.M., в нахлесточных соединениях распределяются следующим образом. В соединяемых деталях возникают нормальные напряжения т, и ог и соответствующие им деформации г,иг2, а в паяном шве только касательные напряжения т и соответствующие им угловые деформации j (рис. 2.3).
Анализ соотношения (2.8) показывает, что наиболее прочным будут соединения с накладками, у которых hx = 0,5 h2. Несущая способность таких соединений в 1,31 раза больше, чем у соединения с одной накладкой. Отклонение толщины накладок в любую сторону от оптимального соотношения может уменьшить несущую способность соединения. Аналогично (2.8) соотношениям нормальных напряжений сг, и &2 выведенных Сажиным A.M., получена формула для расчета деталей с симметричной нахлесткой по касательным напряжениям.
Методика определения коэффициента трения металлокерамики о почву
Хорошо известно, что для получения качественной пайки необходимо, прежде всего, чтобы атомы расплавленного припоя вступили в непосредственный контакт с поверхностными атомами твердого металла, т.е. чтобы произошло смачивание.
Возможность смачивания определяется характером происходящего при этом изменения свободной энергии системы; расплавленный припой способен смачивать поверхность твердого металла только в том случае, если свободная энергия системы при этом будет уменьшаться.
Если силы притяжения между атомами припоя и твердого металла (адгезия) больше сил притяжения между соседними атомами припоя (когезия), то процесс смачивания будет протекать с выделением тепла, т.е. с уменьшением свободной энергии системы, а следовательно, смачивание будет хорошим.
Для понимания природы смачивания проще всего рассмотреть условия равновесия капли расплава на твердой металлической поверхности (рис. 3.5).
Пусть на поверхности твердого металла находится капля расплава. Если эта капля не слишком велика, то влиянием ее веса q можно для простоты пренебречь. Тогда частица расплава в точке А будет находиться под воздействием трех сил притяжения: Ріялг - силы притяжения цастицы жидкости атомами твердого металла (сила адгезии); Гэнж - сила притяжения цастицыжидкости своими соседними атомами (силы когезии); жг - силы притяжения цастицы жидкости газообразной средой.
Силы притяжения металлического расплава газообразной средой очень малы, поэтому в рассматриваемом случае силой Ржг можно пренебречь. Из рисунка 3.5 легко понять, что если капля расплава находится на плоской горизонтальной поверхности, то сила FmM, как равнодействующая сил взаимодействия частицы А с атомами твердого тела, будет направлена вертикально вниз.
Сила Fxcxn как результирующая сил взаимодействия частицы А с расположенными вблизи ее атомами расплава, направлена внутрь жидкой капли; при этом вектор силы жж делит пополам угол р, с которым жидкая капля касается поверхности твердого металла.
Складывая векторы сил FmM. F}ICM, получим их равнодействующую Fp. В зависимости от соотношения величин векторов FmJIC Ржж, а также их направления, равнодействующая Fp может быть направлена или внутрь твердого тела, или внутрь жидкости, или по границе раздела между ними. Совершенно ясно, что поверхность жидкой капли в точке приложения равнодействующей силы Fp будет нормальна (перпендикулярна) к направлению этой силы и что в зависимости от направления силы Fp будет меняться угол в, образованный касательной к поверхности жидкой капли и линией раздела твердое тело - жидкость. Этот угол называется обычно краевым углом смачивания, а величина его служит показателем смачивания твердого тела жидкостью: чем меньше краевой угол, тем лучше смачивание.
Вопрос о взаимном смачивании реальных пар металлов в настоящее время изучен еще недостаточно. Малое количество экспериментальных данных не дает возможности теоретически определить какие металлы могут смачивать, например, поверхность стали, и какие - нет.
Поверхность пластин, имеющих размер 40x40 и 16x16 мм, подготавливали в соответствии с технологическим процессом пайки. В центр пластин помещали заготовки припоя. Испытуемые образцы нагревали водородно-кислородным пламенем. [121]
Угол смачивания определяли после кристаллизации с помощью транспортира, при условии, что изображение на фото- или кинопленке предварительно увеличивается не менее чем в 5 раз.
При пайке разнородных металлов необходимо учитывать изменение зазора, связанное с различием их ТКЛР. Рациональная ширина зазора определяется: конструкцией соединения, металлургическими особенностями процесса взаимодействия припоя с паяными материалами, активность флюса и газовой среды, состоянием паяемых поверхностей и т.д.
Изготовленные из паяемого материала пластины, размером 40x40 и 20x15 мм, собирали внахлест с определенным равномерным зазором и располагали симметрично. Пластины собирались так, чтобы не происходила их деформация на протяжении всего испытания. [122]
Результаты исследований по определению коэффициента трения металлокерамики о почву
Исследования коэффициента трения металлокерамики о почву проводили в диапазоне влажностей почвы от 15 до 35 %. В качестве объектов исследования были выбраны среднесуглинистая дерново-подзолистая почва, металлокерамика сплава ВК-8 и лемешная сталь Л65. Выбор данного типа почвы объясняется тем, что основная масса земель в анализ нами районов Орловской области имеет дерново-подзолистая почва. Исследуемый диапазон влажностей почвы ограничивается агротехническими требованиями к качеству пахоты.
Коэффициент трения металлокерамики ВК-8 о почву, как видно из графиков, выше, чем у лемешной стали Л65. При низкой влажности почвы (W = 15 %) коэффициент трения для стали Л65 составляет 0,35, а для металлокерамики сплава ВК-8 - 0,36, что на 2,8 % выше. С увеличением влажности почвы коэффициент трения как у стали, так и у металлокерамики возрастает и достигает своего максимального значения при значениях влажности 30 %. В этой точке коэффициент трения для лемешной стали Л65 составляет 0,66, а для металлокерамики - 0,68, что на 3 % выше, чем для стали. При дальнейшем увеличении влажности почвы с 30 до 35 % коэффициент трения у стали и у металлокерамики снижается. При значении влажности почвы W = 35 % коэффициент трения для стали равен 0,57, а для металлокерамики 0,59, что на 3,5 % выше, чем у стали.
Таким образом, коэффициенты трения стали Л65 и металлокерамики ВК-8 о дерново-подзолистую среднесуглинистую почву в диапазоне влажности от 15 до 35 % близки между собой, а разница в их значениях в среднем составляет 3,1 %.
Для правильного обеспечения смачивания поверхности материалов припоя Л-63 по краевому углу и площади растекания нагрев образцов производили водородно-кислородным пламенем, при температуре 960-1100С в течение 5... 10 минут на поверхностях лемешной стали Л65 и металлокерамической пластины сплава ВК-8. При этом определяли угол смачивания после кристаллизации. На рисунке 4.2 и 4.3 представлены графики зависимости площади растекания и угла смачивании.
Для лемешной стали Л65 при угле смачивания 0=27 площадь растекания увеличивается до S=296 мм , при угле смачивания (3=33 площадь растекания уменьшается до S=290 мм .
Использование водородно-кислородного пламени при пайке металлокерамических пластин на лемешную сталь важное место занимает прочность паяемых соединений.
Исследование прочности сцепления с помощью метода нагрева, показали, что при истечении 1 часа испытаний, нагрев производился в воде, после чего охлаждали на воздухе, на контролируемых поверхностях образцов вздутий и отслаиваний не наблюдалось.
Исследование прочности сцепления с помощью метода изменения температур, показали, что при температуре воды 90С выдерживали и охлаждали в воде имеющую температуру 15...25С, на контролируемых поверхностях образцов вздутий, отслаиваний паяных образцов и других дефектов не наблюдалось. Для количества оценки прочности сцепления пластин были проведены испытания на усилие разрыва и сдвига.
В настоящее время режимы пайки назначаются исходя из экспериментального материала, накопленного при разработке многочисленных конкретных технологий. Поэтому представляется целесообразным провести исследования прочности паяных соединений.
