Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 13
1.1 Анализ видов изнашивания рабочих органов сельскохозяйственных машин 15
1.2 Методы упрочнения и восстановления дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин 19
1.3 Электроконтактная приварка и ее особенности при получении покрытий из порошковых материалов 23
1.4 Цель и задачи исследований 35
1.5 Выводы 37
2 Теоретические предпосылки совершенствования технологии электроконтактной приварки смесииз порошковых материалов с различными тепло физическими и физико-механическими свойствами 39
2.1 Особенности формирования покрытий из порошковых материалов 39
2.2 Расчетная оценка критических размеров очагов схватывания для случая соединения материалов с резко различными физико-механическими свойствами 47
2.3 Оценка влияния электропроводности порошкового слоя на распределение температур в зоне контакта «электрод-деталь» при электроконтактной приварке 57
2.4 Выводы 61
3 Методика проведения исследований 63
3.1 Оборудование и материалы для получения порошков электроэрозионным диспергированием 63
3.2 Оборудование для получения покрытий электроконтактной приваркой порошковых материалов 67
3.3 Выбор материалов для проведения исследований 69
3.4 Определение химического состава порошка 69
3.5 Исследование формы и морфологии поверхности частиц порошков, полученных из отходов твердых сплавов 72
3.6 Рентгеноспектральный микроанализ частиц порошка 73
3.7 Проведение рентгеноструктурного анализа порошков
3.8 Определение гранулометрического состава 76
3.9 Определение удельной поверхности порошков 76
3.10 Определение прессуемости порошков 78
3.11 Определение пористости и относительной плотности покрытия... 79
3.12 Определение прочности соединения 79
3.13 Определение коррозионной стойкости 82
3.14 Определение износостойкости покрытий 83
3.15 Оптическая металлография 86
3.16 Измерение микротвердости 87
3.17 Определение ударной вязкости 87
3.18 Выводы 88
4 Исследование основных свойств порошков, по лученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6 91
4.1 Исследование основных свойств порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6 91
4.2 Расчетно-экспериментальная оценка влияния параметров режима электроконтактной приварки порошковых смесей, содержащих диспергированные отходы твердых сплавов ВК8 и Т15К6, на прочность соединения покрытия с основой 104
4.3 Исследование влияния параметров режима электроконтактной приварки порошковой смеси, содержащей диспергированные отходы твердого сплава ВК8 или Т15К6, на механические и эксплуатационные свойства покрытия 116
4.4 Выводы 125
5 Разработка практических рекомендаций 129
5.1 Технология получения порошков из отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8 электроэрозионным диспергированием 129
5.2 Модернизация поворотного устройства для подачи порошкового материала в зону сварки 131
5.3 Разработка технологии упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин электроконтактной приваркой с использованием порошковых материалов, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8 133
5.4 Опытно-промышленное опробование разработанной технологии и результаты ускоренных эксплуатационных испытаний дисков сошников с покрытием из порошкового материала 50 % ПГ-СР2 + 50 % Т15К6 141
5.5 Расчёт экономической эффективности от внедрения технологии упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин с использование отходов твердых сплавов 145
5.6 Выводы 151
Общие выводы 153
Список использованных источников
- Методы упрочнения и восстановления дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин
- Расчетная оценка критических размеров очагов схватывания для случая соединения материалов с резко различными физико-механическими свойствами
- Оборудование для получения покрытий электроконтактной приваркой порошковых материалов
- Расчетно-экспериментальная оценка влияния параметров режима электроконтактной приварки порошковых смесей, содержащих диспергированные отходы твердых сплавов ВК8 и Т15К6, на прочность соединения покрытия с основой
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в промышленном и сельскохозяйственном производстве особое значение приобретают технологии, отвечающие требованиям ресурсосбережения без увеличения материальных затрат на их реализацию. Это в полной мере относится и к технологиям восстановления и упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин, интенсивная эксплуатация которых приводит к затуплению лезвий в результате их изнашивания и коррозии, что ухудшает агротехнические показатели техники, увеличивает эксплуатационные затраты и ведёт к удорожанию сельскохозяйственной продукции. Эффективным путем увеличения срока службы таких деталей является повышение их износостойкости методами сварки, наплавки или напыления износостойких покрытий, термообработки, диффузионного насыщения, химико-термической обработки и т.п.
Одним из резервов снижения себестоимости восстановления и упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин является использование в качестве присадочного материала отходов машиностроения, в частности порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8. Эффективным способом восстановления и упрочнения дисковых рабочих органов с использование таких порошковых материалов является электроконтактная приварка (ЭКП), позволяющая получать покрытия из порошков износостойких сплавов без их расплавления, то есть в твёрдой фазе. До настоящего времени возможность использования порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8 для получения упрочняющих покрытий ЭКП, практически не исследована. Поэтому данная работа посвящена исследованию и разработке технологии восстановления и упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин ЭКП порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8.
Степень разработанности темы. Анализ и систематизация работ таких исследователей, как Абдурахимов Т.У., Бурак П.И., Каракозов Э.С., Клименко Ю.В., Молчанов Б.А., Нафиков М.З., Поляченко А.В., Сенин П.В., Фомин А.И., Черноиванов В.И. и др., посвященных исследованию процессов восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной и автотракторной техники ЭКП металлической ленты или проволоки, а также работ Абрамовича Т.М., Агафонова А.Ю., Амелина Д.В., Бабаева И.А., Верещагина В.А., Генкина Я.С., Дорожкина Н.Н., Макарова В.П., Оханова Е.Л., Сайфул-лина Р.Н., Смирнягина Г.Ф., Стрелкова С.М., Тарасова Ю.В., Ульмана И.Е., Фархшатова М.Н., Шитова А.Н., Ярошевича В.К. и др., посвященных исследованию процессов восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной и автотракторной техники ЭКП порошковых материалов, позволили определить научную проблему и направление дальнейших исследований.
Работа выполнена в соответствии:
- с планом НИОКР на 2010 – 2016 гг. Московского политехнического
университета «Теоретические основы и технологические пути обеспечения
стабильности формирования функционального покрытия и зоны его соеди
нения с основным металлом при реновации и упрочнении деталей машин
методами сварки, наплавки и родственными процессами»;
- грантом Российского фонда фундаментальных исследований на 2012-
2014 гг. «Теоретическое и экспериментальное исследование соединения по
верхностей восстанавливаемых деталей в процессе электроконтактной при
варки», проект № 12-08-00189.
Цель работы: повышение износостойкости дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин упрочнением их рабочих поверхностей ЭКП порошковых материалов, содержащих диспергированные отходы твердых сплавов.
Объект исследования: технологический процесс упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин ЭКП с использованием порошковых материалов, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8.
Предмет исследования: закономерности формирования упрочняющего покрытия и качества его соединения при ЭКП с использованием порошковых материалов, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8.
Методы исследования: системный подход и анализ, логика научных исследований, математическое моделирование с использованием современных расчетных комплексов. Современные методики лабораторных исследований с использованием методов математической статистики и современных вычислительных комплексов.
Научная новизна:
- изучены свойства порошков, полученных электроэрозионным дис
пергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8, показана возмож
ность использования таких порошков в качестве упрочняющей фазы для по
лучения покрытий ЭКП при их массовой доле в матричном порошке
ПГ-СР2, равной 40…50 %;
с позиций современных представлений о механизме образования соединения в твёрдой фазе разработаны математические модели, позволяющие увязать рост прочности соединения покрытия с основой и плотности покрытия с температурой, величиной тока ЭКП и осадки порошкового слоя при отсутствии деформации частиц упрочняющей фазы;
изучены физико-механические свойства покрытий, полученных ЭКП порошков из отходов твердого сплава Т15К6 или ВК8 при упрочнении дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин.
На защиту выносятся:
- исследования возможности использования порошковых материалов,
полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых спла
вов Т15К6 и ВК8, в технологиях восстановления и упрочнения деталей ЭКП;
- теоретические предпосылки совершенствования технологии ЭКП
смеси из порошковых материалов с различными теплофизическими и физи
ко-механическими свойствами;
- математические модели, позволяющие увязать рост прочности соеди
нения покрытия с основой и плотности покрытия с температурой, величиной
тока ЭКП и осадки порошкового слоя при отсутствии деформации частиц
упрочняющей фазы;
результаты экспериментальных исследований влияния параметров режима ЭКП порошковых материалов, содержащих диспергированные отходы твердого сплава Т15К6 или ВК8, на физико-механические свойства покрытия и качество соединения его с основным металлом;
технологический процесс упрочнения дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин ЭКП порошковых материалов, содержащих диспергированные отходы твердого сплава Т15К6 или ВК8.
Практическая значимость результатов исследования:
результаты исследований технологических свойств порошковых материалов, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов Т15К6 и ВК8, и рекомендации по их использованию в технологиях восстановления и упрочнения деталей ЭКП;
разработанный технологический процесс упрочнения дисковых рабочих органов ЭКП порошковых материалов, содержащих диспергированные отходы твердого сплава Т15К6 или ВК8, может быть применен для восстановления и упрочнения изношенных поверхностей плоских деталей на ремонтно-технических предприятиях агропромышленного комплекса.
Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены на ЗАО Агрофирма «Южная» (Курская обл., Кореневский р-н), ООО «КСТ» (г. Курск), используются в учебном процессе кафедры «Оборудование и технологии сварочного производства» Московского политехнического университета при проведении аудиторных и практических занятий по дисциплине «Реновация и упрочнение деталей методами сварки, наплавки и родственных технологий», а также при подготовке выпускных квалификационных работ магистров по направлению 15.04.01 «Машиностроение», профиль подготовки «Оборудование и технологии сварочного производства».
Личный вклад автора. Непосредственное участие на всех этапах проведения теоретических и экспериментальных исследований: разработке и реализации плана теоретических и экспериментальных исследований, анализе, обработке и интерпретации полученных результатов, подготовке и написании научных статей, оформлении заявок на патенты, апробации результатов исследования на международных, всероссийских, региональных и вузовских научно-практических конференциях в 2011–2016 годах, внедрении результатов работы в производство.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность основных положений работы подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, апробацией результатов ис-
следований на научно - технических конференциях и семинарах различного уровня и в рецензируемых научных изданиях, а также положительными результатами производственных испытаний.
Апробация работы. Основные положения исследований и их результаты доложены и обсуждены на 20 научно - технических конференциях различного уровня. В том числе:
- Международных научно-технических конференциях «Современные
автомобильные материалы и технологии», Юго-Зап. гос. у-т, г. Курск,
2010-2012 гг. и 2015-2016 г.г.;
Международных научно-инновационных молодежных конференциях «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», Тамбовский ГТУ, г. Тамбов, 2011-2012 гг.;
Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012;
- Международной конференции «Неделя металлов в Москве»,
ВНИИМЕТМАШ, г. Москва, 2012 г.
- Международной молодежной научной конференции «Поколение бу
дущего: Взгляд молодых ученых», Юго-Зап. гос. ун-т, Курск, 2013;
Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике», Юго-Зап. гос. ун-т, г. Курск, 2014 г.;
Международной научно-практической конференции, посвященной памяти доктора технических наук, профессора Ф.Х. Бурумкулова «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы», ФГБОУ ВО "МГУ им. Н. П. Огарёва", г. Саранск, 2016;
- Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные
технологии ремонта и технического обслуживания машин», ГОСНИТИ,
г. Москва, 2016.
Разработка «Промышленная технология использования порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов вольфрамсодер-жащих твердых сплавов» отмечена золотой медалью международной выставки «Металл-Экспо -2012».
Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 43 печатных работ, 15 и которых опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на изобретение №2590767. Объем публикаций 11,8 п. л., в том числе собственных 7,5 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 187 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 разделов и общих выводов. Работа содержит 8 таблиц, 63 рисунка и 3 приложения. Список литературы включает в себя 189 источников.
Методы упрочнения и восстановления дисковых рабочих органов сельскохозяйственных машин
Под износом принято понимать результат изнашивания, оцениваемый постепенным изменением размеров детали при трении, отделением с поверхности трения материала, остаточной деформацией. Изнашивание поверхности при трении является свойством не материала, а системы, образуемой парой трущихся под нагрузкой тел, расположенным между их поверхностями промежуточным материалом и внешней средой, характеризуемой температурой и агрессивными воздействиями. В связи с этим любой вид изнашивания обусловлен, прежде всего, процессом разрушения материала или конкретной детали.
Одним из наиболее распространенных видов изнашивания деталей является абразивное изнашивание, которое определяется процессами непосредственного взаимодействия рабочих поверхностей с мелкими твердыми абразивными частицами. Такой вид изнашивания характерен для условий эксплуатации почвообрабатывающего инструмента, рабочих органов землеройных машин, узлов трения с загрязненной смазкой, породоразрушающего инструмента.
Адгезионное изнашивание связанно с последовательным образованием и разрушением фрикционных связей на поверхности контактирующих тел и сопровождается разрушением материала граничной поверхности. Трение двух металлических поверхностей под нагрузкой происходит в условиях пластической деформации металла в точках контакта, развитие которой сопровождается их сближением вплоть до активации сил сцепления между атомами. В результате пластической деформации происходит сцепление двух поверхностей в отдельных выступающих точках, однако в условиях действия напряжений сдвига это сцепление неизбежно разрушается. Разрушение зарождается в местах наименьших сил сцепления - на границе раздела между двумя поверхностями, а в случае возникновения достаточно прочного сцепления (схватывания) разрушение сдвигом возможно внутри одного из материалов на менее прочном участке. Под усталостным изнашиванием понимают образование микротрещин с выкалыванием частиц и дробление поверхности деталей машин, подверженной знакопеременным напряжениям и деформациям. В режиме усталостного изнашивания, как правило, работает подавляющее большинство подвижных соединений.
При эксплуатации трубопроводов, насосов для перекачки различных жидкостей, подшипников скольжения, работающих в условиях гидродинамической смазки, плунжеров гидравлических прессов, морских землечерпалок, грейдеров и земснарядов имеет место кавитационное изнашивание, причиной которого обычно является наличие зон переменного давления в турбулентном потоке жидкости.
Коррозионное изнашивание происходит под влиянием жидкой или газообразной химически агрессивной среды на поверхности трущихся деталей. Этот вид изнашивания типичен для различных видов инструмента, используемого для горячей обработки материалов, а также для подвижных соединений химического, нефтехимического и перерабатывающего оборудования.
Таким образом, под действием одного из перечисленных видов изнашивания, а чаще всего под действием комплекса физических явлений, возникающих в поверхностных слоях трущихся поверхностей, детали утрачивают работоспособность и износ конкретной детали следует рассматривать в зависимости от преобладания тех или иных условий ее работы.
Известно [7,10,12], что основным видом изнашивания рабочих органов сельскохозяйственных машин, в том числе и дисковых, является абразивное изнашивание и коррозия. По мнению авторов [13-19] это обусловлено не только тем, что многие детали сельскохозяйственных машин по характеру выполняемых функций непосредственно связаны с материалами, способными вызвать абразивное изнашивание, но также и тем, что при абразивном изнашивании вследствие локализации и высокой степени концентрации кон 18
тактных напряжений происходит интенсивное разрушение поверхностного слоя, подавляющее, как правило, даже при малом количестве абразивных частиц другие виды изнашивания.
Известно также [19-22], что интенсивность абразивного изнашивания зависит, в основном, от твердости материала детали, физико-механических свойств почв, режимов работы и других факторов. По мнению авторов работ [18-21] существенное влияние на интенсивность абразивного изнашивания оказывает также структура материала детали, поэтому для повышения долговечности рабочих органов необходимо развивать:
1. Методы получения первичных структур со свойствами, обеспечивающими возможность оптимальной перестройки и дополнительного упрочнения в условиях эксплуатации (механической и фазовый наклеп). В этом случае при трении происходит образование вторичных защитных структур, способствующих расширению диапазона нормальных процессов и снижению интенсивности трения и изнашивания.
2. Методы создания первичных структур с максимально возможной стабильностью по отношению к механическим и химическим воздействиям.
Однако, в сложных условиях эксплуатации не всегда имеется возможность для оптимального перехода от исходных состояний и свойств поверхностных слоев к вторичным упрочненным структурам. Это, прежде всего, касается машин и механизмов новой техники, работающих в условиях высоких скоростей и химических активных средах, поэтому для обеспечения износостойкости и защиты детали от повреждений в этих условиях более предпочтительным является 2-й вариант. При этом автор [20] отмечает, что создание такой первичной структуры может быть осуществлено при упрочнении рабочих поверхностей деталей различными методами нанесения износостойких покрытий, обладающих высокой стабильностью к механическим и химическим воздействиям и обеспечивающих оптимальные условия изнашивания даже при неблагоприятных условиях нагружения.
Расчетная оценка критических размеров очагов схватывания для случая соединения материалов с резко различными физико-механическими свойствами
Известно [103-106], что в процессе образования соединения без расплавления соединяемых материалов, в том числе и при электроконтактной приварке, можно выделить три основные стадии: образование физического контакта, активация контактных поверхностей и объемное развитие взаимодействия. Физический контакт образуется в результате сближения соединяемых материалов на расстояние, соответствующее расстоянию между частицами при физическом взаимодействии, обусловленном силами Ван-дер-Ваальса, или на расстояние, при котором возникает слабое химическое взаимодействие. Активация контактных поверхностей сводится к тому, чтобы создать на этих поверхностях такие условия, при которых энергетическое состояние атомов соединяемых материалов в зоне контактирования достигло уровня, который необходим для разрыва старых и образования новых химических связей. Согласно [104] активация контактных поверхностей происходит в результате выхода свежих дислокаций на соединяемые поверхности и образования в этих зонах активных центров взаимодействия. Следует отметить, что авторы работы [103] под активными центрами твердофазного взаимодействия понимают более широкий спектр дефектов: дислокации с полем упругих искажений, вакансии, примесные атомы и др., при этом указывают на важность и эффективность термического (температурного) канала активации. Третья стадия состоит в развитии взаимодействия как в плоскости контакта (схватывание металлов), так и в объеме зоны контакта. Стадия объемного взаимодействия происходит в результате релаксации упругого поля искажений (в той степени, которая необходима для сохранения образовавшихся связей) и протекания процессов гетеродиффузии.
В настоящее время вопросы активации поверхностей соединяемых металлов и формирования активных центров является теоретически малоизученными. В частности, остается открытым вопрос влияния абсолютных величин и соотношений термического и механического видов энергии на размеры образующихся активных центров. При проведении расчетов [107-109] в основу разработанной модели схватывания металлов при сварке давлением положены энергетическая и дислокационная гипотезы образования соединения металлов [105-106, 110-112].
Следуя работе [104] приняли также следующие допущения и упрощения: - в качестве дефекта кристаллической решетки, приводящей к образованию активного центра, рассматривали только краевую дислокацию; - поле упругих искажений вокруг вышедшей на поверхность дислокации характеризуется осевой симметрией; - для образования активного центра достаточно выхода дислокации на одну из контактирующих металлических поверхностей; - скорость валентного межатомного взаимодействия между возбужденными атомами не учитывали, т.е. полагали, что процесс схватывания происходит мгновенно; - образованные химические связи между поверхностными атомами в дальнейшем не разрушаются. Учитывая результаты исследований, выполненных в работах [106,111], приняли допущение об эквивалентности термического и механического видов этих видов энергии, что позволяет рассматривать общую энергию активации, как их сумму.
При определении подходов к расчетной оценке энергии активации приняли во внимание, что с увеличением температуры нагрева роль пластической деформации в образовании сварного соединения снижается [110-111]. В связи с этим приняли допущение, что при достижении температуры плавления механический канал активации не требуется. Тогда энергия активации может быть определена через температуру плавления соединяемых металлов.
В качестве оценки прочности получаемого соединения приняли относительную прочность т в виде т = pas, (2.1) где ра - плотность активных центров, см-2; s- средняя площадь одного активного центра, см2.
Из вышеизложенного следует, что образование химических связей между металлами происходит в некоторой окрестности активного центра с уровнем энергии U Еа, где Еа - энергия активации образования сварного соединения [104]. Значению U = Еа соответствует окружность с условным радиусом RJJ , образующая очаг схватывания. Тогда s = TtRjj . (2.2) На основании принятого допущения об эквивалентности термический и механический виды энергии являются эквивалентными. Тогда энергия атомов кристаллической решетки вблизи дефекта может быть разложена на три составляющие, рис. 2.1 [110]: U = Ud + UT + Uм, (2.3) где Uл - энергия упругого поля дефекта кристаллической решетки, Дж; UT - тепловая энергия, Дж; U - механическая энергия упругого сжатия со единяемых объемов металла сварочным усилием, Дж. Оценку величины UA, создаваемой краевой дислокацией [109], выпол нили воспользовавшись моделью Пайерлса-Набарро [113]. После ряда преобразований получили выражение
Оборудование для получения покрытий электроконтактной приваркой порошковых материалов
Следует отметить, что АЭС с ИСП является разрушающим методом анализа, при котором исследуемый материал должен быть переведён в раствор, хотя, теоретически, вещество может быть введено и в виде аэрозоля, состоящего из твёрдых частиц или газовой фазы. После этого анализируемая проба подается в зону плазмы и разогревается до высокой температуры (« 8000 К). В результате достигается высокая степень возбуждения атомов и частичная ионизация. Для получения спектра используют зону над ярко светящейся плазмой. Оптическое излучение пробы разлагается в спектр на дифракционной решётке и регистрируется фотоэлектрическим способом. Исследования проводили с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с ин 71 дукционной плазмой фирмы «HORIBA Jobin Yvon» модели «ULTIMA 2», который включает в себя монохроматор, твердотельный генератор и микроЭВМ, контролирующей условия анализа.
Содержания общего углерода определяли методом сжигания в потоке кислорода на анализаторе углерода и серы Leco CS-400. При этом исследуемый материал массой 1,0 г помещают в керамический тигель и сжигают в потоке кислород, где происходит его окисление. Концентрацию углерода определяют с помощью инфракрасной абсорбции. Первоначально углерод окисляется до СО и, частично до – СО2. Затем газы осушают и нагревают. В результате СО конвертируется в СО2 и снова попадает в термостат и проходит для измерения низкого и высокого углерода. Анализатор автоматически выбирает оптимальный диапазон измерения при поглощении инфракрасного излучения СО2 на определенной длине волны ячейки. Изменение энергии инфракрасного излучения регистрируют детекторы. Эффект поглощения энергии инфракрасного излучения специфично только СО2 и это используется для измерения его концентрации.
Содержание свободного углерода определяли потенциометрическим методом в соответствие ГОСТ 25599.2–83 «Сплавы твёрдые спечённые. Методы определения свободного углерода».
Содержание кислорода в порошках, полученных электроэрозионным диспергированием отходов ВК8 и Т15К6, определяли с помощью инфракрасной абсорбции. В этом случае использовали восстановительное плавление исследуемого материала в импульсной печи сопротивления в потоке гелия на анализаторе кислорода и азота Leco TC-600 (рисунок 3.7, а), представляющего собой анализатор с встроенным микропроцессором. При этом проба с известной массой помещается в тигель, изготовленный из графита высокой чистоты, и плавится в потоке гелия при температуре достаточной для полного выделения кислорода, азота и водорода. Программное обеспечение анализатора позволяет одновременно измерять содержание азота и кислорода в большинстве металлов, огнеупорных керамиках и неорганических материалах.
Определение примесей и соотношения в них вольфрама, кобальта и титана проводили на рентгеновском аппарате для спектрального анализа СПЕКТРОСКАН MAKC-GV (рисунок 3.7, б), позволяющего проводить качественный и количественный рентгенофлуоресцентный анализ содержания химических элементов в образце в диапазоне от 0,1 - 0,0001 % до 100 % без концентрирования и от 10-6 – 10-7 % до долей процента с концентрированием. Это достигается в результате взаимодействия рентгеновского излучения с образцом, при котором в нем возникает вторичное флуоресцентное излучение. В этом спектре присутствуют характеристические линии тех элементов, которые входят в состав материала образца. При этом интенсивность этих линий позволяет судить о количественном содержании элементов.
Форму и морфологию частиц порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6, изуча 73 ли с помощью растрового электронного микроскопа QUANTA 600 FEG (рисунок 3.8), позволяющим получать изображения, в том числе и объемное, исследуемых образцов с большим увеличением (до 100000 крат) при высоком разрешении. Его можно использовать для исследования различных типов образцов, в том числе загрязненных, влажных, способных к выделению газов в процессе вакуумирования.
Рентгеноспектральный микроанализ проводили с помощью энергодисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 600 FEG».
Под рентгеноспектральным микроанализом понимают определение элементного состава микрообъектов по возбуждаемому в них характеристическому рентгеновскому излучению. Анализ распределения элементов может быть выполнен в качественном, полуколичественном и количественном виде. Качественный анализ определяет тип элементов, входящих в состав исследуемого участка образца.
После качественного анализа при необходимости проводят количественный анализ в отдельно выбранных точках. По полученным данным программное обеспечение позволяет определить тип фазы исходя из ее химического состава. Полуколичественный анализ проводят, если требуется определить распределение элементов вдоль линий (линейный анализ). Линейный анализ выполняется методом шагового сканирования, т.е. путем последовательного проведения анализа в отдельных точках. Таким образом, осуществляется количественное определение концентрации элементов с заданной точностью. Точкам на рисунке соответствуют спектры характеристического рентгеновского излучения. На спектре каждому химическому элементу соответствует пик определенной высоты. Рентгеноспектральный микроанализ выполняли также с помощью сканирующего зондового конфокального рама-новского микроскопа «OmegaScope» (рисунок 3.9).
Расчетно-экспериментальная оценка влияния параметров режима электроконтактной приварки порошковых смесей, содержащих диспергированные отходы твердых сплавов ВК8 и Т15К6, на прочность соединения покрытия с основой
Применение порошковых материалов, полученных из отходов промышленного производства, в технологических процессах восстановления и упрочнения деталей уменьшает себестоимость восстановленных и упрочненных деталей без снижения их эксплуатационных свойств. Это в полной мере относиться и к порошковым материалам, полученным из отходов твердых сплавов электроэрозионным диспергированием, применение которых в технологиях восстановления и упрочнения деталей позволяет не только уменьшить себестоимость, но и повысить их ресурс [92-96].
Метод электроэрозионного диспергирования является одним из перспективных для получения порошков из отходов твердых сплавов, отличающийся относительно невысокими энергетическими затратами, экологической чистотой процесса, отсутствием механического износа оборудования, получением порошка непосредственно из кусков твердого сплава различной формы за одну операцию, получением частиц преимущественно сферической формы размером от нескольких нанометров до сотен микрон [96, 100, 131-132, 146-148]. Следует также отметить, что установка для получения порошков электроэрозионным диспергированием при низких затратах электроэнергии имеет малые габариты, поэтому ее можно использовать в условиях малых предприятий и мелкосерийного производства.
Порошки, полученные из отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6, предложенные для использования в технологиях упрочнения и восстановления рабочих органах сельскохозяйственных машин, характеризуются широким комплексом свойств, определяющих процессы формирования покрытия и ответственных за его физико-механические свойства. Поэтому в работе изучали основные свойства таких порошков, в частности процесс их образования, форму и размер частиц, химический и фазовый состав, удельную поверхность, текучесть, прессуемость и спекаемость, которые, в основном, отвечают за эксплуатационные характеристики покрытия, полученные с использованием таких порошков и качество его соединения с металлом основы [131-132, 149-161].
Процесс электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами, находящимися в рабочей жидкости, рисунок 4.1 [95, 132, 159]. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и 3 и далее к пластинам твердого сплава 6 (в качестве электродов также служат пластины твердого сплава).
При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей жидкости 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда 7. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда 8 плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада 9 (газовым пузырём). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил, капли расплавленного материала 4 выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую жидкость, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы твердого сплава.
Рабочая жидкость, находящаяся в рабочей зоне, оказывает на процесс, электроды, гранулы и продукты эрозии твердого сплава физическое, химическое, моющее и механическое воздействие, что в конечном итоге определяет состав, строение и свойства порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов марок ВК8, Т15К6. При проведении исследований установлено [132, 149], что порошки из отходов твердых сплавов ВК8, Т15К6 имеют размер частиц от 3 нм до 100 мкм, рисунок 4.2. пергировании твердых сплавов в кислородсодержащей жидкости (воде дистиллированной) содержание углерода Собщ. в порошке уменьшается в сравнении порошками, полученными промышленным методом и диспергированием в углеродсодержащей жидкости (керосине осветительном). Наличие свободного углерода Ссвоб. (мелкодисперсной сажи) в порошке, полученном в керосине на порядок больше, чем в порошке, полученном в воде. Следует отметить, что наличие Ссвоб. в порошках из рассматриваемых сплавов, полученных промышленным методом, существенно меньше, чем в порошках, полученных диспергированием как в воде, так и керосине.
Форма и морфология поверхности частиц порошка (рисунки 4.3 и 4.4), полученного диспергированием отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6, обусловлена тем, в каком виде материал выбрасывается из лунки в процессе диспергирования. Видно [132, 149], что в порошке превалируют частицы, имеющие правильную сферическую или эллиптическую форму. Они получаются кристаллизацией расплавленного материала (жидкой фазы). Частицы, образующиеся при кристаллизации кипящего материала, имеют неправильную форму, размер на порядок меньше частиц, образующихся из жидкой фазы, и обычно агломерируются друг с другом и на поверхности других частиц. Частицы, выбрасываемые из лунки в твердом состоянии, образуются под действием ударных волн канала разряда и под действием термических напряжений.