Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 13
1.1. Алюминиевые сплавы и коррозионностойкие стали, применяемые для изготовления деталей машин и оборудования АПК 13
1.2. Алюминийсодержащие порошки, используемые при восстановлении деталей и ремонте узлов и их характеристики 16
1.3. Анализ способов восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей 20
1.4. Микродуговое оксидирование - как перспективный способ восстановления и упрочнения деталей 33
1.5. Анализ составов электролитов, применяемых при микродуговогом оксидировании деталей 36
1.6. Анализ износов основных деталей из алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей на предмет их возможного восстановления и упрочнения микродуговым оксидированием 44
1.7. Выводы, цель и задачи исследований 48
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование технологий восстановления и упрочнения деталей с применением микродугового оксидирования 51
2.1. Электрический пробой оксидных пленок при микродуговом оксидировании 51
2.2. Теоретическое обоснование формирования толстослойных оксидных покрытий способом микродугового оксидирования в электролите типа «KOH-Na2Si03» 64
2.3. Теоретическое обоснование возникновения сжимающих внутренних напряжений в покрытиях, полученных микродуговым оксидированием 67
2.3.1. Обзор гипотез о происхождении внутренних напряжений в покрытиях 67
2.3.2. Влияние внутренних напряжений на прочность восстановленных изделий 69
2.3.3. Механизм образования внутренних напряжений в покрытиях, сформированных микродуговым оксидированием 70
2.3.4. Методика определения внутренних напряжений в покрытиях, полу ченных МДО 75
2.4. Оценка механизма взаимодействия частицы с основой при газодинамиче ском напылении алюминиевых покрытий 77
2.5. Выводы 100
ГЛАВА 3. Программа и методика исследований 101
3.1. Программа исследований 101
3.2. Оборудование и материалы для проведения исследований 101
3.2.1. Используемые марки сплавов и образцы 101
3.2.2. Оборудование и материалы для газопламенного напыления 105
3.2.3. Оборудование и материалы для сверхзвукового газодинамического напыления 106
3.2.4. Оборудование и материалы для микродугового оксидирования... 108
3.3. Приготовление, контроль и оценка стабильности электролитов для микродугового оксидирования ПО
3.4. Методики определения адгезии покрытий 112
3.4.1. Методика определения адгезии покрытий, полученных газопламенным напылением 112
3.4.2. Методика определения адгезии покрытий, полученных сверхзвуковым газодинамическим напылением 120
3.4.3. Методика определения адгезии покрытий, полученных МДО 123
3.5. Методика измерения скорости частиц при сверхзвуковом газодинамическом напылении 123
3.6. Методика измерения толщины покрытий 125
3.7. Методика измерения микротвердости покрытий 127
3.8. Методика исследования равномерности покрытий, полученных МДО... 128
3.9. Методика определения выхода вещества по энергии при МДО 130
3.10. Методика определения сквозной пористости оксидно-керамических покрытий 130
3.11. Методика проведения рентгеноспектрального анализа 131
3.12. Методика проведения рентгеноструктурного анализа 131
3.13. Методика проведения коррозионных испытаний 132
3.14. Методика определения внутренних напряжений 134
3.14.1. Методика определения внутренних напряжений в покрытиях, полученных способами напыления 134
3.14.2. Методика определения внутренних напряжений в покрытиях после МДО 135
3.15. Методика испытаний на изнашивание 136
3.16. Методика проведения ускоренных стендовых испытаний насосов НШ-10ЕиНШ-32У-3 142
3.17. Определение ошибки эксперимента и повторности опыта 144
ГЛАВА 4. Результаты исследований и их анализ 146
4.1. Исследование состава и структуры покрытий 146
4.1.1. Рентгеноспектральный анализ покрытий, полученных МДО на алюминиевых сплавах в электролите типа «KOH-Na2Si03» 146
4.1.2. Рентгеноструктурный анализ покрытий, полученных газопламенным напылением с упрочнением МДО в электролите типа «КОН-Na2Si03» 150
4.1.3. Рентгеноструктурный анализ покрытий, полученных МДО в электролите типа «КОН-Н3ВО3» 152
4.1.4. Микроструктура покрытий, сформированных ГДН 155
4.2. Исследование прочности сцепления покрытий 156
4.2.1. Исследование сцепляемости покрытий, полученных газопламенным напылением 157
4.2.2. Исследование сцепляемости покрытий, полученных сверхзвуковым ГДН 163
4.2.3. Исследование сцепляемости покрытий, полученных МДО 170
4.3. Оценка скорости полета частиц порошка при сверхзвуковом ГДН 170
4.4. Исследование влияния параметров МДО на толщину покрытий 172
4.4.1. Исследование толщины покрытий, полученных МДО на литейных алюминиевых сплавах в электролите типа «KOH-Na2Si03» 172
4.4.2. Исследование толщины покрытий, полученных МДО на деформируемых алюминиевых сплавах в электролите типа КОН-НзВОз»...182
4.4.3. Исследование толщины оксидно-керамических слоев на покрытиях, полученных способами напыления 187
4.5. Оценка выхода вещества по энергии при МДО 191
4.6. Оценка стабильности электролита при МДО 194
4.6.1. Электролит типа «KOH-Na2Si03» 194
4.6.2. Электролит типа «КОН-Н3ВО3» 197
4.7. Исследование микротвердости покрытий, полученных МДО 200
4.7.1. Исследование микротвердости покрытий на литейных алюминиевых сплавах, полученных в электролите типа «KOH-Na2Si03» 200
4.7.2. Исследование микротвердости покрытий на деформируемых алюминиевых сплавах, полученных в электролите типа «КОН-Н3ВОз» 204
4.7.3. Исследование микротвердости покрытий, полученных МДО на напыленных поверхностях 208
4.8. Исследование равномерности распределения оксидно-керамических покрытий 211
4.9. Исследование сквозной пористости покрытий, полученных МДО на алю-
миниевых сплавах 215
4.10. Исследование коррозионной стойкости оксидно-керамических покры
тий 217
4.10.1. Коррозионная стойкость покрытий, полученных в электролите типа «KOH-Na2Si03» 217
4.10.2. Коррозионная стойкость покрытий, полученных в электролите типа «КОН-НзВОз» 218
ф 4.11. Анализ внутренних напряжений 222
4.11.1. Анализ внутренних напряжений в покрытиях, полученных ГДН с упрочнением МДО 222
4.11.2. Анализ внутренних напряжений в покрытиях, полученных газопламенным напылением с упрочнением МДО 225
* 4.11.3. Анализ внутренних напряжений в покрытиях, полученных МДО 226
4.12. Исследование износостойкости оксидно-керамических покрытий 228
4.12.1. Износостойкость покрытий, полученных МДО на алюминиевых сплавах 228
4.12.1.1. Износостойкость покрытий, полученных в электролите типа «KOH-Na2Si03» 228
4.12.1.2. Износостойкость покрытий, полученных в электролите типа «КОН-НзВОз» 231;
4.12.2. Износостойкость покрытий, полученных газопламенным напылнием с упрочнением МДО 233
4.12.3. Износостойкость покрытий, полученных сверхзвуковым ГДН с упрочнением МДО 235
4.13. Стендовые и эксплуатационные испытания восстановленных и упрочненных деталей 238
4.13.1. Стендовые испытания шестеренных насосов НШ-32У и НШ- 10Е 238
4.13.2. Эксплуатационные испытания шестеренных насосов НШ-32У и 0 НШ-10Е 240
4.13.3. Эксплуатационные испытания деталей, восстановленных газопла- ,ь менным напылением с упрочнением МДО 240
4.13.4. Эксплуатационные испытания деталей, восстановленных сверх звуковым ГДН с упрочнением МДО 241
4.14. Выводы 242
ГЛАВА 5. Практические рекомендации и их технико-экономическая эффективность 247
5.1. Технология восстановления и упрочнения колодцев корпусов и втулок гидравлических шестеренных насосов типа НШ и НШ-У МДО 247
5.2. Технология восстановления деталей молокоперерабатывающего оборудования, изготовленных из коррозионностойких сталей, газопламенным напылением с упрочнением МДО 252
5.3. Технология восстановления деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей, газодинамическим напылением с упрочнением МДО 256
5.4. Технология ремонта агрегатов постановкой ремонтной детали, упрочненной МДО (на примере седел клапанной коробки насосной установки Ж6-ВНП для перекачивания жидких пищевых продуктов) 261
5.4.1. Расчет посадки неподвижного соединения «отверстие коробки - ремонтная втулка» насосной установки Ж6-ВНП 261
5.4.2. Технологический процесс восстановления седел клапанной коробки насосной установки Ж6-ВНП 265
5.5. Общая структурная схема технологического процесса восстановления и упрочнения деталей с применением МДО 268
5.6. Рекомендации по осуществлению технологий восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования АПК с применением МДО 271
5.7. Экологические аспекты применения микродугового оксидирования 277
5.8. Экономическая эффективность МДО 279
5.9. Выводы 285
Общие выводы 287
Литература
- Анализ способов восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей
- Теоретическое обоснование формирования толстослойных оксидных покрытий способом микродугового оксидирования в электролите типа «KOH-Na2Si03»
- Оборудование и материалы для газопламенного напыления
- Рентгеноструктурный анализ покрытий, полученных газопламенным напылением с упрочнением МДО в электролите типа «КОН-Na2Si03»
Введение к работе
Восстановление и упрочнение изношенных деталей сельскохозяйственной техники и перерабатывающих производств АПК многие годы не теряет своей актуальности, поскольку является основным путем снижения себестоимости и повышения качества ремонта техники и оборудования.
Особенно актуален данный вопрос применительно к перерабатывающим отраслям АПК, где важно обеспечить не только технологическое качество восстанавливаемых деталей при сравнительно низкой себестоимости их восстановления, но и строго соблюдать санитарно-гигиенические требования, исключающие загрязнение пищевых продуктов.
В условиях ограничения финансовых и материальных ресурсов, снижения поставок техники, оборудования и запасных частей в сельскохозяйственное производство и ее перерабатывающие сферы, старения и удорожания сельскохозяйственной техники и перерабатывающего оборудования (особенно импортного), нехватки и дороговизны запасных частей возникает необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологических процессов ремонта машин и восстановления деталей.
Большой вклад в развитие технологий ремонта машин, в том числе повышения их надежности внесли: Батищев А.Н., Авдеев М.В., Ачкасов К.А., Ерохин М.Н., Воловик Е.Л., Кряжков В.М., Курчаткин В.В., Лялякин В.П., Поляченко А.В., Черноиванов В.И., Северный А.Э., Тельнов Н.Ф., Пучин Е.А., Носихин П.И., Мороз В.П., Голубев И.Г., Бурумкулов Ф.Х., Стрельцов В.В., Бугаев В.Н., Кошкин К.Т., Лезин П.П., Некрасов С.С. и другие ученые.
Опыт ремонтно-технических предприятий показывает, что в последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют повысить относительную износостойкость деталей и соединений в несколько раз. Так, например, микродуговое оксидирование (МДО) деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, повышает их износостойкость в 2...6 раз. Данный способ поверхностной упрочняющей обработки
10 деталей является достаточно простым и экологически безопасным; получаемые покрытия соответствуют санитарным нормам и могут использоваться для контакта с пищевыми продуктами.
Однако широкое применение МДО для восстановления деталей из литейных алюминиевых сплавов и особенно упрочнения стальных, предварительно восстановленных различными способами газотермического напыления, сдерживается отсутствием теоретических основ восстановления и упрочнения. Поэтому разработка технологических основ восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования АПК микродуговым оксидированием является актуальной проблемой.
Большой вклад в развитие микродугового оксидирования, как способа повышения долговечности алюминиевых деталей и соединений внесли: Марков Г.А., Гордиенко П.С., Гнеденков СВ., Малышев В.Н., Снежко Л.А., Черненко В.И., Миронова М.К., Федоров В.А., Герций О.Ю., Католикова Н.М., Великосельская Н.Д., Эпельфельд А.В., Атрощенко Э.С., Чуфистов О.В., Барыкин Н.В., Коломейченко А.В. и другие ученые.
Научную новизну исследований составляют:
обоснованные и уточненные теоретические гипотезы электрического пробоя оксидных пленок, формируемых МДО;
теоретические обоснования формирования толстослойных оксидных покрытий способом МДО в электролите типа «KOH-Nci2Si03»',
разработанные теоретические гипотезы о происхождении и образовании внутренних напряжений в покрытиях, полученных МДО, их влияние на прочность восстановленных изделий;
уточненная методика определения внутренних напряжений в покрытиях, полученных МДО;
теоретическая оценка механизма взаимодействия частицы с основой при сверхзвуковом газодинамическом способе напыления покрытий;
установленные зависимости толщины, равномерности, микротвердости, пористости, сцепляемости, коррозионной стойкости и износостойкости
покрытий, полученных на литейных алюминиевых сплавах и напыленных поверхностях от состава электролитов и режимов МДО; зависимости выхода вещества по энергии при МДО и внутренних напряжений в покрытиях от режимов оксидирования; результаты оценки стабильности электролитов и исследований состава и структуры покрытий; зависимости сцепляемости напыленных алюминиевых покрытий от фракции порошковых материалов и режимов ГПН и ГДН.
Работа осуществлялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО РГАЗУ.
Результаты исследований реализованы в пяти руководящих технических материалах (РТМ) и методических рекомендациях, утвержденных Минсельхозом Российской Федерации в 1997 г. и в 2005 г.
Технологические процессы восстановления и упрочнения колодцев корпусов шестеренных насосов типа НШ и НШ-У, поршней гидромуфт КП тракторов типа «Fendt Favorit-824», наконечников молочных центробежных насосов, пробок молочных кранов, седел клапанных коробок насосных установок типа Ж6-ВНП-10/32, внедрены (приняты к внедрению) на ряде ремонтных предприятий агропромышленного комплекса.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО РГАЗУ и ФГОУ ВПО ОрелГАУ, отражены в учебном пособии, допущенным Минсельхозом РФ в качестве учебного пособия для вузов.
Основные результаты исследований доложены на семинарах, конференциях и т.д.:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава
РГАЗУ и ОрелГАУ в 1995-2003 г.г.;
межвузовских областных конференциях молодых ученых Орловской области (г. Орел, 1996 и 1998 г.г.);
семинарах (РИИАМА, 1996 г. и г. Москва, 1996 г.);
двеннадцати международных конференциях (г. Оренбург, ИПК ОГУ, 1997, 2002 г.г.; г. Москва, МГАУ, 1998, 2000 г.г.; г. Москва, ГОС-
12 НИТИ, 2003,2004 г.г.; г. Орел, ОрелГАУ, 2000,2001,2004,2005 г.г; г. Белгород, БГСХА, 2001, 2002 г.г.);
научно-технических и научно-практических конференциях (г. Москва, ВНИИТУВИД «Ремдеталь», 1999 г.; г. Пенза, Приволжский дом знаний, 1998, 2000, 2001 г.г.; г. Москва, МЭИ (ТУ), 2000г.);
заседаниях кафедры «Надежность и ремонт машин им. И.С. Левит-ского» ФГОУ ВПО РГАЗУ в 1997,2003-2005 г.г.
На защиту выносятся:
- теоретические основы формирования толстослойных оксидно-
керамических покрытий МДО на деталях сельскохозяйственной техники,
изготовленных из литейных алюминиевых сплавов;
теоретическое обоснование возникновения сжимающих внутренних напряжений в покрытиях, полученных МДО, и уточненная методика их определения;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке механизма взаимодействия частиц с основой при сверхзвуковом газодинамическом способе напыления алюминиевых покрытий;
результаты экспериментальных исследований по получению прочно-сцепленных алюминиевых покрытий газопламенным напылением на деталях, изготовленных из коррозионностойких сталей;
результаты экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных свойств деталей, восстановленных и упрочненных МДО и комбинированными способами (включающими МДО, как упрочняющую обработку);
новые способы и устройства для восстановления и упрочнения деталей МДО, защищенные патентами Российской Федерации;
рекомендации по применению предлагаемых технологий и разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.
Анализ способов восстановления и упрочнения деталей из алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей
Слесарно-механическая обработка включает в себя следующие способы: обработку под ремонтный размер (РР), постановку дополнительной ремонтной детали (ДРД), обработку до выведения следов износа и придания правильной геометрической формы и перекомплектовку.
Основные недостатки - невозможность применения способа РР при слишком больших износах, необходимость использования деталей ремонтного размера, что усложняет взаимозаменяемость и организацию производства; невозможность применения способа ДРД для тонкостенных деталей и при малом износе [16-18].
Сварочные и наплавочные способы восстановления получили наибольшее применение. Наиболее распространены ручные газовая, дуговая и аргонно-дуговая сварка, автоматическая наплавка под флюсом, в среде защитных газов, плазменная, порошковой проволокой или лентой.
Применение данных способов целесообразно для восстановления сильно изношенных деталей. Их недостатками являются: глубокое термическое воздействие на основной металл, в том числе на невосстанавливаемые поверхности, наличие остаточных напряжений, снижение усталостной прочности и деформация деталей, значительные припуски на механическую обработку (как правило, более 45% наплавленного металла переводится в стружку) [16-20].
Электроконтактная приварка ленты используется при восстановлении деталей перерабатывающего оборудования АПК, изготовленных из коррозионностоиких сталей. Данная технология восстановления включает в себя подготовку деталей и лент, наварку ленты, обработку деталей после наварки [16, 18].
К основным недостаткам способа можно: невозможность применения при больших износах и восстановлении деталей сложной конфигурации; значительная неравномерность твердости приваренного слоя ленты затрудняет последующую механическую обработку, особенно лезвийным инструментом; необходимость применения предварительной механической обработки; дорогостоящее оборудование.
Пайка. Для восстановления деталей из алюминиевых сплавов мож но использовать пайку с применением специальных припоев [1, 16, 21, 22]. Для деталей, износ которых не превышает 0,1 мм, этот способ имеет наибольшую перспективу. Однако наиболее сложным представляется восстановление изношенных внутренних поверхностей деталей. Значительную трудность представляет защита поверхностей, не подвергаемых восстановлению, от контакта с припоем при окунании детали в ванну с припоем. Пайка также не позволяет нормировать толщину покрытия, т.е. наносить покрытие в «размер» [21].
Пластическое деформирование основано на использовании запаса прочности и пластических свойств материала. Наибольшее применение при восстановлении деталей получили обжатие, раздача, накатка, вибрационное выглаживание [1, 16,23].
В целом, недостатки этого способа следующие: в результате пластической деформации металла может произойти как сдвиг, так и механическое сдавливание кристаллов, что увеличивает неоднородность металла и способствует неустойчивому равновесию кристаллов; чем выше температура, при которой происходит деформация, тем быстрее происходит разупрочнение металла; с изменением размеров после деформации в металле появляются микроскопические трещины, нарушая прочность детали [16,23,24-26].
Способ диффузионной металлизации применяется при восстановлении алюминиевых деталей. Он заключается в термодиффузионном насыщении алюминиевого сплава цинком [1, 27]. В результате диффузии происходит увеличение размера детали. При этом ее нагревают до температуры 550С. Процесс характеризуется довольно большой временной протяженностью (около 4-х часов), кроме того, требует дорогостоящего вакуумного оборудования. Данным способом восстанавливают втулки шестеренных насосов, однако, ввиду вышеуказанных недостатков, в ремонтном производстве широкого применения он не нашел.
Теоретическое обоснование формирования толстослойных оксидных покрытий способом микродугового оксидирования в электролите типа «KOH-Na2Si03»
В главе 1 при анализе составов электролитов, применяемых при МДО, было отмечено, что для восстановительно-упрочнительной технологии наиболее целесообразным может явиться использование электролитов, способных образовывать покрытия за счет катионов раствора (щелочные и силикатные электролиты).
Очевидно, что в разбавленных растворах силикаты щелочных металлов диссоциируют на катион NQ и мономерный анион [H2S1O4] , который в результате поликонденсации в концентрированных электролитах образует полимерные цепи разной длины [65,93]:
В сильнощелочных средах при pH =10,3...12,3 происходит поликон-денсация отдельных форм кремниевой кислоты (HiSiOi, S1O3") в ленточные радикалы типа (SieOn)10 , гофры (5їі20зі)И" сетки (SieOis)6 . С ростом модуля жидкого стекла роль процессов поликонденсации усиливается:
Строение и степень полимеризации кремнекислородных анионов очевидно определяются модулем жидкого стекла, т.е. соотношением Si02 INaiO в молекуле силиката натрия. Поэтому, если метасиликат гидролизуется по реакции:
Примечание. Теоретические положения, отраженные в разделе 2.2, разработаны совместно с к.т.н. Коровиным А.Я. то гидратированные ионы дисиликата представляют собой ленточный неорганический полимер, состоящий из четырехчленных колец с анионом [SizOs] , а ионы трисиликата — из шестичленных колец с повторяющимся радикалом [Si 07]2 .
Проведенные нами предварительные исследования показали, что покрытия, полученные в данном электролите на алюминиевых сплавах, имеют толщину до 0,4 мм, но характеризуются низкими адгезией и износостойкостью.
Очевидно, качество получаемых покрытий можно улучшить, если объединить электролиты, принадлежащие к различным группам. При этом наиболее целесообразным является использование комбинированного электролита типа «KOH-NaiSiOj». При этом концентрация КОН будет влиять на растравляющую способность электролита, что позволит сформировать упрочненный слой внутрь оксидируемой поверхности относительно номинального размера детали и увеличить адгезию покрытий. Введение же жидкого стекла позволит формировать покрытие за счет его компонентов, что в конечном итоге приведет к возможности не только упрочнения, но и получения достаточной толщины покрытия для восстановления алюминиевой детали.
Электрохимические реакции на поверхности алюминиевого сплава в предложенном выше электролите будут протекать по схемам, приведенным ниже [113].
В анодный полупериод будут протекать реакции растворения алюминия, образование кислорода из гидроксид-ионов и оксида алюминия:
В катодный полупериод будет происходить восстановление воды, ионов водорода и оксидов металлов, входящих в состав алюминиевого сплава: 2H20 + 2e = 20H +H2t (2.14) 2Я+ + 2ё = #Т (2.15) А1203+6ё+ЗН+=2А1+ЗОН- (2.16) MgO + 2e + H+=Mg+OH (2.17) Si02 +4ё + 2Н+ = Si0 + 20Н (2.18) В присутствии натриевого жидкого стекла в анодный полупериод становится возможным разряд ионов HSiO - продуктов его гидролиза: AHSiO; -4ё = 4HSi021+2021 (2.19)
Кроме того, при повышенных температурах в каналах пробоя пленки будет протекать химическая реакция алюминия с компонентами жидкого стекла, приводящая к образованию силикатов типа nSiOi и mSiOj алюмосиликатов с фазами - ЗАІіОі - 25702 (муллит), А12Оъ 2SiOi (каолин), Al Oi SiOi (силиманит) [113]:
Вышеприведенные уравнения хорошо согласуются с данными Снежко Л.А. и Черненко В.И. [65, 126], которые отмечают, что под действием электрического поля при МДО происходит миграция ионов, а катионы металла внедряются в кристаллическую решетку оксида, ослабляя связи в структуре силиката. Ионы алюминия достраивают решетку оксида, адсорбируясь на узлах, не занятых кислородом, а затем сами связывают кислород. Механизм этого взаимодействия можно выразить схемой: (Si02)r +2{АҐ)-З(О2-)-+ (Si02\ -2А1 -3(0), (2.23) т.е. на поверхности оксидируемого металла (вследствие высокой температуры в каналах пробоя оксидной пленки) образуются соединения типа шпинели. Существование таких соединений в покрытиях было доказано также авторами [75, 133].
Таким образом, можно предположить, что, используя электролит типа «KOH-NaiSiOi», можно будет не только упрочнять алюминиевые детали при МДО, но и восстанавливать их размеры за счет осаждаемых и спекаемых на их поверхности, под действием микродуговых разрядов, твердых компонентов электролита.
К внутренним напряжениям относят такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела в случаях отсутствия внешнего воздействия, которое их вызвало [134].
О происхождении внутренних напряжений в покрытиях деталей машин многие авторы придерживаются следующих гипотез.
Гипотеза В. Колъшюнттера исходит из того, что покрытие формируется в мелкодисперсной форме и, вследствие развитой поверхности зерен, обладает повышенным значением свободной энергии. Стремление к уменьшению свободной энергии влечет перестройку структуры в направлении укрупнения зерен. Это обусловливает стремление нанесенного слоя к сокращению объема, что вызывает напряжения растяжения. Однако эта гипотеза не объясняет возникновения напряжений сжатия.
Оборудование и материалы для газопламенного напыления
Для нанесения покрытий газопламенным напылением на стальные образцы использовали порошковые газопламенные горелки фирмы «TER-MIKA» (рисунок 3.8). Для нанесения подслоя использовали горелку «Искра-1», а для алюминиевого порошка использовали горелку «Искра-1В».
Перед напылением образцы подвергали струйно-абразивной обработке электрокорундом. В качестве подслоя использовали порошок ПТ-Ю5Н (ТУ 14-1-3926). Для напыления основного слоя покрытия использовали алюминиевый порошок САС-2 (ТУ 48-21-447). Режимы напыления представлены в таблицах 3.1 и 3.2.
Для нанесения порошковых материалов на образцы использовали комплект для сверхзвукового газодинамического напыления «ДИМЕТ-403» (рисунок 3.9), разработанный и изготовленный в Обнинском центре порошкового напыления. Оборудование сертифицировано по системе ГОСТ Р. Сертификат соответствия № РОСС ІШ.ГБ05.Н00040.
Комплект оборудования состоит из следующих основных частей.
Блок контроля и управления БКУ-03 объединяет в своем корпусе элементы силового электропитания напылителя ДМ-43, систему управления температурой воздуха, систему электропитания и управления расходом порошка питателей ПВ-43, переключатель порошковой трассы и элементы коммутации.
Напылитель ДМ-43 состоит из сверхзвукового сопла, непосредственно соединенного с блоком подогрева воздуха. Сверхзвуковое сопло является основным элементом, обеспечивающим разгон частиц до высоких скоростей, DOO; 9 - блок контроля и управления БКУ-03; 10 - питатель ПВ-43. приводящих к формированию покрытия. Внутренние плоскости сопла, наиболее подверженные изнашиванию при эксплуатации, выполнены в виде сменных насадок, позволяющих легко восстановить характеристики сопла при его износе.
Блок подогрева воздуха в напылителе обеспечивает нагрев и стабилизацию температуры несущего газа на входе в сопло, что позволяет увеличить скорость потока при сохранении конфигурации сопла.
Устройство подачи порошка (питатель ПВ-43) представляет собой автономный блок, обеспечивающий равномерное дозированное перемещение загруженного в него порошка в воздушный поток сверхзвукового сопла. Работа этого блока основана на вибрационном способе создания текучести порошковых материалов.
В качестве материала, напыляемого на поверхность образцов, служил алюминиевый порошок А-80-13 ТУ 1791-011-40707672-00. При струйно абразивной обработке использовали порошок К-00-04-16 (порошок корунда по ГОСТ 28818). Режимы напыления представлены в таблице 3.3.
Для микродуговой обработки алюминиевых сплавов, а также покрытий, полученных способами напыления на стальных и алюминиевых образцах, была спроектирована и изготовлена установка для микродугового оксидирования (рисунок 3.10), состоящая из источника питания и блока управления, ванны с системой крепления деталей и защитного ограждения. Электрическая часть установки (рисунок 3.11) состоит из силового блока, блока управления и измерения параметров процесса. Источник питания (силовой блок) состоит из блока конденсаторов типа МБГП-2 и К75-27 с включенной параллельно ему разрядной цепью, содержащей разрядный резистор ПЭВ-100. Суммарная емкость батареи конденсаторов 299 мкФ с дискретностью 100, 50, 50, 50, 20, 10, 8, 4, 4, 2, 1. Для снятия остаточного заряда каждая секция конденсаторов зашунтирована резистором МЛТ-2 из 11 штук. Силовая цепь подключена последовательно к нагрузке. Для питания ванны использовали емкостный источник, позволяющий подавать на ванну ток силой до 20 А при напряжении до 1000 В. Источник питания позволяет изменять
ток на ванне посредством включения дополнительных емкостей, что в каж t дом конкретном случае обеспечивает нормальное протекание микродугово го процесса и создание керамического слоя нужного качества.
Включение и выключение источника питания производится магнитным пускателем К, типа ПМЕ.
Блок измерения включает в себя два вольтметра постоянного напряжения М42300 кл.1,5 для измерения катодной и анодной составляющих напряжения на нагрузке, а также вольтметр переменного напряжения ЭЗО кл.1,5 для измерения действующего значения напряжения. Контроль тока осуществляли двумя амперметрами типа ЭЗО кл.1,5.
Электролитическая ванна вместимостью 12 л выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и снабжена рубашкой водяного охлаждения. Перемешивание электролита осуществляется воздушным барботированием при помощи микрокомпрессора.
Деталь, подвергаемая МДО, крепится к изолированному токоподводу резьбовым соединением М 3,5x0,6.
Защитное ограждение выполнено в виде вытяжного шкафа с плотно закрывающейся дверцей, на которой закреплен концевой выключатель Звь размыкающий цепь катушки магнитного пускателя при открывании двери, в результате чего источник питания отключается от сети, и конденсаторы
Рентгеноструктурный анализ покрытий, полученных газопламенным напылением с упрочнением МДО в электролите типа «КОН-Na2Si03»
Испытанию подвергали шестеренные насосы с серийными корпусами и втулками (испытывали втулки только насосов НШ-32У-3) и восстановленными и упрочненными МДО. Испытания проводились в соответствии с рекомендациями руководящего документа РД 70.0009.006-85 «Указания по методам ускоренных испытаний восстановленных деталей для основных марок тракторов, комбайнов и других машин», разработанных ВНПО «Рем-деталь», а также ГОСТ 23.224 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей» на стенде КИ-4200, который служит для испытания агрегатов гидроприводов сельскохозяйственной техники.
Режимы испытаний насосов представлены в таблице 3.11.
Для форсирования испытаний в рабочую жидкость - минеральное масло М10Г2 в соответствии с рекомендациями [25] добавляли абразивный материал, приготовленный из кварцевого песка (дисперсность 5...20 мкм -70 % и 30...40 мкм - 30 %). Концентрация засорителя составляла 1 г/л масла. Выбор абразива по химическому составу обусловлен тем, что почвенная пыль, состоящая из частиц кварца и глинозема, составляет основную долю естественных механических примесей в гидравлических системах тракторов. Во время испытаний использовалась гидравлическая система подачи масла без фильтров очистки масла.
В качестве эксплуатационного показателя работы насосов использовали действительную подачу рабочей жидкости. Ее замеры проводили на чистом масле при температуре 50С и номинальном давлении 14,0 МПа и 10 МПа (в зависимости от марки испытываемого насоса). Действительную подачу насоса определяли по счетчику импульсов после прохождения через него контрольного количества масла.
Замеры диаметров колодцев корпусов насосов, в зависимости от их марки, производили после их разборки при помощи нутромеров 50-100 и 18-50 ГОСТ 9244, втулок - нутромера 18-50 ГОСТ 9244.
Износ поверхностей головок зубьев шестерен по диаметру определяли рычажным микрометром MP 75 ГОСТ 4381, износ поверхностей цапф -микрометром MP 50 ГОСТ 4381.
Оценку износостойкости серийного соединения при испытаниях проводили по интенсивности изнашивания Jc, которую определяли по формуле: где Ис — линейный износ серийного соединения, м; Lmp - путь трения в соединении, соответствующий износу, м. Интенсивность изнашивания восстановленного и упрочненного соединения Jey определяли по формуле: ву Л= Lmp (3.22) где Иву - линейный износ восстановленного и упрочненного соединения, м\ Относительная износостойкость Kt поверхностей деталей рассчитывалась по формуле: КІ=- (3-23) с где ley - износостойкость испытываемого образца; 1С - износостойкость эталона. Определение ошибки экспериментальных данных проводили согласно [182, 183]. Погрешность отдельных измерений (АХІ) определяли по формуле: AX AJ-X, (3.24) где X - среднее значение, которое определяли из выражения: Х=-2Х (3.25) где і - значение отдельного результата измерения, п - количество одноименных измерений.
