Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1. Повышение ресурса сопряжений автотракторных деталей, работающих в условиях трения скольжения 11
1.2. Анализ способов восстановления автотракторных деталей 21
1.3. Обоснование применения порошково-полимерных лент в качестве присадочного материала при восстановлении изношенных деталей электроконтактной приваркой 26
1.4. Способы повышения антифрикционных свойств композиционного покрытия 30
1.5. Цель и задачи исследований 37
1.6. Выводы 38
Глава 2. Теоретические исследования 38
2.1. Обоснование выбора состава для композиционного материала с антифрикционными присадками 38
2.2. Расчет оптимального количества связующего полимера в композиционном материале (ППЛ) 43
2.3. Расчет рациональных режимов прокатки порошково-полимернойленты 46
2.4. Исследование изменения состояния полимерной частицы при электроконтактной приварке - 51
2.5. Выводы 57
Глава 3. Программа и методики экспериментальных исследований 58
3.1. Программа исследований 58
3.2. Методика определения основных технологических свойства порошково-полимерной ленты 59
3.3. Методика измерения прочности сцепления композиционного покры тия с основным металлом детали и определение оптимальных режимов электроконтактной приварки 62
3.4. Методика определения триботехнических свойств композицион ных покрытий с антифрикционными присадками 65
3.5. Методика исследования макро- и микроструктуры 69
3.6. Методика измерения твердости и микротвердостй 69
3.7. Методика определения пористости покрытий 70
3.8. Методика производственной проверки 72
3.9. Статистическая обработка результатов исследований 75
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 76
4.1. Влияния состава порошково-полимерной ленты на ее технологиче ские свойства и прочность сцепления с основным металлом 76
4.1.1. Способ получения порошково-полимерной ленты 76
4.1.2. Исследование технологических свойств порошково-полимерных лент и экспериментальное определение оптимального количества полимерного связующего 81
4.1.3. Влияние антифрикционных присадок и количества связующего полимера в порошково-полимерной ленте на прочность сцепления композиционного покрытия с основой 90
4.2. Исследование свойств композиционного покрытия с антифрикцион
ными присадками 93
4.2.1. Влияние антифрикционных присадок на триботехнические характеристики композиционного покрытия и сопряжения в целом 93
4.2.2. Исследование пористости и микроструктуры 97
4.2.3. Результаты сравнения характера распределения микротвердости у порошково-полимерной и стальной ленты, приваренных электро контактным способом 101
4.3. Результаты производственных испытаний 104
4.4. Выводы 107
Глава 5. Технология изготовления и электроконтактной приварки порошково-полимерной ленты и оценка экономической эффективности 109
5.1. Технология изготовления и электроконтактной приварки порошково полимерной ленты 109
5.2. Расчет экономической эффективности внедрения в производство разработанного технологического процесса восстановления изношенных деталей 115
5.3. Выводы 118
Общие выводы 119
Литература
- Обоснование применения порошково-полимерных лент в качестве присадочного материала при восстановлении изношенных деталей электроконтактной приваркой
- Исследование изменения состояния полимерной частицы при электроконтактной приварке
- Методика измерения твердости и микротвердостй
- Исследование технологических свойств порошково-полимерных лент и экспериментальное определение оптимального количества полимерного связующего
Обоснование применения порошково-полимерных лент в качестве присадочного материала при восстановлении изношенных деталей электроконтактной приваркой
Анализ преимуществ и недостатков перечисленных способов позволяет сделать вывод о наиболее перспективном, отвечающем современным требованиям научно-технического прогресса, способе формирования порошковых материалов в виде эластичных лент с полимерным связующим. Вместе с тем процесс образования таких лент малоизучен, в технической литературе отсутствует какое-либо теоретическое обоснование этого процесса, ограниченны марки используемых полимеров.
Способы повышения антифрикционных свойств КП напрямую зависят от условий работы сопряжения (давления, температуры, скорости относительного перемещения сопряженных деталей) и вида трения (жидкостное, граничное, трение без смазки). Исходя из конкретных условий работы, выбираются компоненты КП и метод его нанесения. Вместе с тем, имеются общие свойства, которыми должны обладать антифрикционные композиционные покрытия: это хорошая прирабатываемость, износостойкость, низкий коэффициент трения в паре с контактируемым материалом, малая склонность к заеданию (схватыванию), способность обеспечивать равномерную смазку трущихся поверхностей.
Все трущиеся пары, как правило, должны обладать антифрикционностью, под которой в общем случае следует понимать комплекс свойств, которым должно удовлетворять сочетание трех тел - материалов деталей трущейся пары и применяемого смазочного вещества. Смазочное вещество является таким же конструктивным фактором, как и материал детали. Дополнительно заметим, что износостойкость является требованием, общим для всех материалов, в том числе фрикционных, за исключением приработочных покрытий.
В чистом виде металлы, как правило, не обладают комплексом антифрикционных свойств, поэтому при создании антифрикционных материалов методами порошковой металлургии за основу принимается какой-либо из недорогих и доступных металлов (преимущественно железо, медь, алюминий). Необходимые антифрикционные свойства придаются основе дополнительным введением АФП.
Литературные данные по применению присадочных материалов с АФП при восстановлении деталей ЭКП отсутствуют, поэтому для анализа физико-механических и эксплуатационных свойств подобных покрытий, целесообразно использовать обширные данные по спеченным композиционным материалам, полученным методами порошковой металлургии. В данной аналогии, конечно, имеются и недостатки, так как спекаемые материалы в большинстве своем выдерживаются относительно длительное время при высоких температурах для протекания процессов спекания и взаимной диффузии, что практически отсутствует при ЭКП в силу очень непродолжительного воздействия температуры (0,04... 1 с).
Введение мягких металлов в спекаемый материал позволяет добиться не только улучшения условий трения, но и некоторого увеличения прочностных характеристик покрытия, что немаловажно при высоких нагрузках. Так введение в пористое железо 2-5 % меди увеличивает его прочность в зависимости от содержания меди в 1,5...2 раза. При этом микротвердость повышается от 830-1310 до 1200-2040 МПа. Еще большее повышение прочности достигается при одновременном легировании железа углеродом и медью. Сравнительные характеристики некоторых композиций Fe-Cu-C по их несущей способности в зависимости от скорости скольжения показывают, что легирование пористого железа медью и графитом (рис. 1.3) позволяет значительно повысить его предельную нагрузку [18].
Зависимость величины нагрузки от скорости скольжения для спеченных антифрикционных материалов на основе железа пористостью 20 % при трении в режиме самосмазывания (1,2) при капельной подаче смазки (3), при смазке под давлением (4) : 1 - железо с 0,3 % С и 1 % Си; 2 - железо с 0,3 % С и 5 % Си; 3, 4 - пористое железо.
С учетом сказанного выше, анализ свойств спеченных материалов, полученных методами порошковой металлургии может помочь в анализе и выборе компонентов ППЛ, используемой для восстановления деталей машин ЭКП.
Композиционный материал с АФП, нанесенный на изношенную поверхность, представляет собой материал матрично-наполненного типа с гетерогенной структурой, состоящей из регулярно чередующихся участков износостойкого, с низким значением коэффициента трения антифрикционного материала и металла или сплава, способного прочно удерживать эти включения, который воспринимает основную нагрузку в зоне трения, а антифрикционный материал выполняет роль твердой смазки, обеспечивая самосмазывание пары трения путем образования и непрерывного восстановления на рабочей поверхности тонкой, легко подвижной пленки.
Исследование изменения состояния полимерной частицы при электроконтактной приварке
Исследование изменения состояния связующего полимера при ЭКП имеет актуальное значение в связи с возможностью создания композиционных покрытий с присадками антифрикционных полимеров.
В работах [4, 41], где в качестве присадочного материала при восстановлении изношенных деталей применялась ПИЛ, предполагалось, что связующий полимер выгорает при ЭКП. На первый взгляд это предположение не требует доказательства, ведь температура в зоне приварки может достигать 1400 и более С, но вследствие высоких скоростей нагрева (порядка 10000...50000 С/сек., [68, 87] и охлаждения, а также низкой теплопроводности полимера -это утверждение может оказаться ошибочным при некоторых режимах ЭКП.
При электроконтактной приварке ПИЛ в зоне контакта, вероятно, происходит следующее. Вследствие отсутствия электропроводимости у полимера линии электрического тока будут огибать его и проходить через металлические частицы, в местах контакта которых и выделяется максимальное количество теплоты, поэтому концентраторы энергии находятся вне контакта полимера с металлом. Необходимо также учесть, что снижению эффективности теплообмена между металлическими частицами и полимером способствует выделение газообразных продуктов разложения полимера, когда его поверхность достигает температуры начала термоокислительной деструкции.
Для предварительной оценки состояния частицы полимера в ППЛ при ЭКП принята следующая модельная схема.
В зоне приварки сферическая частица радиуса R нагревается путем теплопроводности и на ее поверхности поддерживается температура Тс. Начальная температура частицы постоянна и равна температуре окружающей среды Т0.
Используя данные работы [93], можно определить время нагревания середины полимерной частицы до температуры деструкции при нагревании контактом где R - средний радиус полимерной частицы, м; а - температуропроводность, м /с; Тц - температура в центре полимерной частице, С.
Радиус полимерной частицы в ППЛ лежит в интервале 0,025...0,15 мм. Значение температуропроводности можно вычислить используя данные таблицы 2.1.
Если температуру поверхности полимера принять равной 1000С, то частицы ПВХ с радиусом более 0,12 мм могут полностью не выгореть при ЭКП, если они будут находиться в зоне приварки менее 0,02 секунды, что вполне возможно при малой продолжительности импульса тока и обильном охлаждении.
В реальных условиях принятая модель не совсем адекватна, т.к. температура на поверхности полимерной частицы постоянно меняется. Эту температуру в некотором приближении можно представить линейной функцией времени Тс(т)=Т0+Ьт. Коэффициент b определяется максимальной температурой в зоне приварки (Ттах) и продолжительностью импульса тока (тИМп) при ЭКП (рис.2.2).
При нагревании полимерной частицы тепловой поток направлен к центру, а после прекращения импульса тока, во время паузы, происходит интенсивное охлаждение, в период которого тепловой поток направлен от центра частицы, т.е. во время паузы наиболее нагретые участки полимерной частицы (у периферии) не оказывают существенного влияния на дальнейшее разложение полимера. Следовательно, можно анализировать изменение состояния полимерной частицы только во время импульса тока.
Для определения распределения температуры внутри частицы в любой момент времени необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности [94] дт X Второе условие - это условие симметрии, т.е. нагревание происходит равномерно, так что изотермы внутри шара представляют собой концентрические сферы и поэтому температура зависит только от радиус вектора г и времени т. Четвертое условие означает, что нагревание полимерной частицы происходит путем контактирования с металлическими частицами, т.е. температура поверхности полимерной частицы равна температуре окружающей среды.
В данной модели не учитывается тепловое влияние предыдущих импульсов тока, что оправдано при большой продолжительности паузы при ЭКП и обильном охлаждении зоны приварки. Кроме того, согласно исследованиям [86] при ЭКП проволоки в структуре тепловых вложений в одну приваренную точку, тепловой вклад непосредственного источника составляет примерно 89%, вклад соседнего источника - 9%, следующего 1,5%, при угловом расстоянии между названными источниками «12 .
Выражение (2.4.3) является быстросходящимся рядом и поэтому для практических расчетов достаточно ограничиться некоторым конечным числом п, например, при (ax/R2) 0,3 достаточно ограничиться первым членом (ошибка не превышает 1%). Начальную температуру частицы принимаем выше температуры окружающей среды (50С) вследствие теплового влияния предыдущих импульсов тока. Полимерные частицы из ПВХ имеют размеры от 0,05 до 0,30 мм, т.е. средний радиус частиц находится в интервале от 0,025 до 0,15 мм. Согласно [11, 72, 92] наиболее характерные температуры при ЭКП в зоне контакта 800...1200 С. Приварка велась при величине тока 4,6...5,1 кА. Диаметр образца составлял 50 мм, частота оборотов шпинделя установки - 2 мин"1, толщина ППЛ -1,1 мм.
Для анализа уравнения (2.4.3) составили элементарную циклическую программу с помощью электронных таблиц EXCEL из пакета Microsoft Office for Windows 95. Результаты анализа показывают, что на распределение температуры в полимерной частице наиболее сильное влияние оказывает ее линейная (R) и теплофизическая (а) характеристика, а также время нагревания (х).
Выяснилось, что если максимальная температура в зоне контакта будет не более 800 С и продолжительность импульсов тока составит 0,02 с, то после приварки ППЛ с ПВХ могут сохраниться частицы полимера, имеющие первоначальный диаметр не менее 0,28 мм, причем после ЭКП диаметр этих частиц не превысит одной трети от первоначального.
Микроструктурный анализ на изломах покрытий из ППЛ, полученных на вышеуказанных режимах приварки выявил сохранение не более 5 % от первоначального объема полимерных частиц и их размеры не превышали в среднем 0,06 мм, т.е. данные математического расчета хорошо согласуются с результатами структурных исследований металлополимерного покрытия.
Покрытия, полученные на вышеуказанных режимах ЭКП, имели невысокую прочность сцепления с основным металлом детали, что объясняется в первую очередь небольшой величиной тока сварки и продолжительностью импульса тока и, делает их неприменимыми для восстановления автотракторных деталей. Увеличение продолжительности импульса тока согласно расчету вызывает полное выгорание полимерных частиц (ПВБ и ПВХ) при ЭКП. Данный факт подтвердился и в результате микроструктурного исследования. Изменение температуры в центре полимерной частицы (ПВХ) в зависимости от продолжительности импульса тока и температуры в зоне контакта согласно формулы (2.4.3) можно представить графиком (рис. 2.3.).
Методика измерения твердости и микротвердостй
Выбор объекта эксплуатационных испытаний обусловлен результатами предыдущих лабораторных испытаний и теоретических исследований. Согласно теоретическим и лабораторным исследованиям, деталь, восстановленная ЭКП порошково-полимерной ленты с АФП, должна работать при трении скольжении и может испытывать достаточно высокие давления (до 28 МПа).
Лабораторные триботехнические испытания КП проводили в паре с контртелом из серого чугуна, поэтому эксплуатационную проверку исследуемых КП проводили в паре с серым чугуном. Анализ трущихся автотракторных сопряжений показал, что в паре с серым чугуном работают такие детали, как толкатели двигателей с блок-картером из серого чугуна (например ГАЗ-52-04), также в паре с серым чугуном работа 73 ют опорные шейки распределительных валов (кроме первой) двигателей А-41, А-01М, СМД-14.
Для эксплуатационных испытаний в качестве исследуемой поверхности были выбраны восстановленные опорные шейки распределительного вала двигателя А-01М трактора Т-4А. Данный распределительных вал имеет семь опорных шеек, причем первая шейка работает в паре с бронзовой втулкой, а остальные с поверхностью отверстий в блок-картере, изготовленного из серого чугуна марки СЧЗО ГОСТ 1412-85. По результатам микрометрирования изношенных опорных шеек распределительных валов двигателей, поступивших на капитальный ремонт, установлено, что опорные шейки одного распредвала изнашиваются равномерно (между износами не было достоверной статистической разницы). Номинальный зазор в сопряжении блок-картер - опорные шейки распределительного вала находится в интервале 0,065...0,141 мм, допустимый зазор 0,35 мм, предельный 0,45 мм [150]. По производственным данным при наработке 6000...7000 мото-ч зазор в данном сопряжении превышает допустимый, а следовательно он требует восстановления.
Опорные шейки восстанавливались ЭКП ПИЛ, которые имели следующий состав: железный порошок марки ПЖР 3.200.28 - 80 % (по массе); медный порошок ПМС-Н - 20 %; армирующая стальная сетка; связующий полимер ПВБ - 3% от общей массы металлического порошка. Состав ПИЛ определился по результатам лабораторных исследований.
Кроме шеек распределительного вала, эксплуатационную проверку результатов лабораторных исследований провели на коренных шейках коленчатого вала двигателя ЗМЗ-53.
Согласно [109] максимальные удельные давления на коренные шейки коленчатых валов карбюраторных двигателей составляют 18-28 МПа, на шатунные 4-12 МПа. Достигнутая прочность сцепления композиционного покрытия с основой может позволить работать детали в условиях знакопеременных нагрузок. Являясь одной из основных деталей двигателя внутреннего сгорания, коленчатый вал в значительной степени определяет его ресурс. Исследования эксплуатационной надежности двигателей ЗМЗ-53 [101] показали, что из-за дефектов коленчатых валов в доремонтном периоде отказывает до 47% от общего числа двигателей, и в третьем межремонтном периоде - до 69%.
Проведенные исследования показали [99], что особенно интенсивно и неравномерно изнашиваются первая и пятая коренные шейки, имеющие на крайних щеках вала массивные противовесы. При этом наибольшие износы наблюдаются на шейках со стороны противовесов. Отношение минимального радиального износа к максимальному радиальному износу для первой коренной шейки колеблется от нуля до 0,11. Максимальный радиальный износ у пятой коренной шейки наблюдается также со стороны противовеса. У остальных шеек неравномерность изнашивания меньше.
Результаты исследований показывают, что износ коренных шеек коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53 больше износа шатунных шеек в 1,5...4 раза. Однако межремонтный интервал для.шатунных и коленчатых шеек назначен одинаковым (0,25 мм). Общее число ремонтных размеров по шатунным и коренным шейкам тоже одинаково и равно шести. Вследствие этого значительная часть коленчатых валов поступает на восстановление из-за предельного износа коренных шеек, а шатунные шейки этих валов имеют определенный запас ремонтных размеров.
Исходя из вышесказанного, для эксплуатационных испытаний использовали три коленчатых вала прошлифованных на один ремонтный размер, причем 2-я и 3-я, 3-я и 4-я, 2-я и 4-я коренные шейки соответственно 1-го, 2-го и 3-го коленчатых валов прошлифованы на 0,4 мм (на диаметр) меньше исходного ремонтного размера. «Проваленные» коренные шейки впоследствии восстанавливались ЭКП ППЛ с вышеуказанным составом.
Исследование технологических свойств порошково-полимерных лент и экспериментальное определение оптимального количества полимерного связующего
В качестве АФП нами были опробованы порошки меди и олова, их характеристики даны в таблице 2.2. В качестве связующего полимера для ППЛ применялся ПВБ. Трибологические испытания проводились согласно методике, описанной в разделе 3.4. Результаты исследований представлены в виде диаграмм на рисунках 4.11, 4.12, 4.13.
Как видно из диаграммы (рис. 4.11), наименьший износ имеют КП с оловом, а наибольший износ имеет КП с сочетанием олова и меди. Как показано в разделе 4.1.3, наличие оловянного и медного порошка в ППЛ отрицательно воздействует на качество формирования покрытий при ЭКП, ухудшая прочность сцепления с основным металлом детали, а также препятствуя качественному спеканию частиц железа из-за эффекта «выпотевания» легкоплавкого металла при ЭКП. Вследствие этого КП с сочетанием олова и меди могло иметь наименьшую прочность среди других КП (об этом косвенно свидетельствует наименьшая твердость покрытия HRB 41), что и повлекло низкую износостойкость. По степени достоверности экспериментальных данных можно сделать вывод, что покрытия с присадками либо только олова, либо меди имеют износостойкость более чем в два раза большую, чем износостойкость КП без присадок. КП, полученные приваркой армированной ППЛ, по износу не имели существенной разницы с соответствующими по составу покрытиями, так как после приварки большая часть армирующей сетки сошлифовывалась, и на поверхности покрытия оставались только ее фрагменты.
По влиянию опытных покрытий на сопряженный материал (колодочки из серого чугуна) выявлено, что наименьший износ наблюдается у колодочек ра 94 ботавших в паре с КП с наибольшим содержанием меди (20%). Наибольший износ контртела наблюдался у колодочек, работавших в паре с КП без присадок и с наименьшим содержанием связующего полимера, т.е. покрытия с наименьшей пористостью, а значит и с наибольшей прочностью (таблица 1.5). Износ контртела уменьшается с увеличением связующего полимера, т.е. с увеличением пористости КП, а также уменьшается с введением АФП.
Оценивая износ сопряжения в целом, видно, что КП с наибольшим содержанием меди, также имеют минимальный износ, при этом максимальный износ имеет сопряжение без антифрикционных присадок с минимальным содержанием полимера (3%).
Увеличение износа КП с повышением количества связующего полимера может быть связано с уменьшением когезионной прочности покрытия, т.к. при ЭКП выгорающий полимер оставляет поры, а также отрицательно влияет на свариваемость металлических частиц порошка (данные по пористости представлены в разделе 4.2.2). Вместе с тем, увеличение количества полимера уменьшает износ контртела и, в конечном счете, сопряжения в целом, что может быть связано также с увеличением количества пор, сохраняющих смазочный материал.
Повышение количества порошков меди в покрытии с 10% до 20% не оказало заметного влияния на износостойкость образца и сопряжения, но само их наличие повысило износостойкость как образца, так и сопряжения. Сравнительные износные испытания сопряжения «закаленная сталь 45 - колодочка из серого чугуна» не проводились из-за сильного износа колодочки при принятых условиях испытаний. П - полимер, АФП - антифрикционные присадки (Си - медь, Sn - олово), остальное - железный порошок; , , - отсутствует достоверная разница в соответствующих величинах D износ контртела И износ образца 10%Sn 20%Си,армирующая сетка 10%Си 20%Си совокупность значений имеющих статистически достоверную разницу Рис. 4.13. Зависимость коэффициента трения от состава композиционного покрытия
Наиболее заметное влияние количество пор и присадок в покрытии оказало на время схватывания. Эксперименты по определению времени схватывания образцов представлены на рисунке 4.12. С увеличением количества полимера в КП время до начала схватывания растет, что безусловно связано с увеличением количества пор от выгоревшего полимера. Наличие присадки олова оказало наиболее сильное влияние на время схватывания, повысив его до 58 минут. КП с присадками меди имели время до начала схватывания примерно в 1,5 раза меньше, чем КП с оловом. Изменение коэффициента трения в зависимости от состава КП (рис.4.13) было незначительным и, учитывая невысокую точность измерения этого параметра на машине трения, получили достоверную разницу только некоторых величин. Так статистически достоверную разницу имеют значения коэффициента трения КП без присадок и КП с присадками меди или олова, которые более чем в 1,5 раза меньше. В работе [138] показано, что порошковые стали, пропитанные медью, в паре с закаленной сталью 45 также имели пониженный коэффициент трения.
По результатам триботехнических испытаний можно выделить оптимальный состав для композиционного материала: 80 % (по массе) железного порошка (ГТЖРЗ.200.28), 20 % порошка меди (ПМС-Н), армирующая стальная сетка, 3 % (от массы металлического порошка) связующего полимера (ПВБ).
После окончания приработки, характеризующейся стабилизацией момента, на втором этапе износных испытаний было отмечено появление колебаний момента трения. Подобные явления наблюдались авторами работ [135, 136] и объяснялись образованием и отслоением вторичных структур на поверхностях трения.
