Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ПСМ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛАВА
2 . РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕЗДЕФОРМАЦИОННОГО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
2.1 Требования к покрытию и технологическому процессу бездеформационного напыления
2.2 Выбор материала покрытия
2.3 Разработка и оптимизация технологического процесса плазменного бездеформационного покрытия
2.3.1. Исследование термического влияния плазменной струи
2.3.2. Оптимизация кинематических параметров процесса формирования равнотолщинного покрытия при плазменном напылении
Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
3.1. Оборудование и материалы для проведения экспериментов
3.2. Выбор входных параметров процесса плазменного напыление и определение диапазона их варьирования 5 8
3.3. Методика исследования влияния параметров плазменного напыления на толщину покрытия и прочность сцепления 6 0
3.4. Анализ результатов исследования влияния режимов плазменного напыления на толщину покрытия и прочность сцепления 68
3.5. Оптимизация процесса плазменного напыления 81
3.6. Практическая проверка зависимости физико-механических свойств покрытия от режимов процесса плазменного напыления 83
3.7. Выводы по главе 92
ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ШНЕКОВЫХ ВАЛОВ ВИНТОВЫХ КОНВЕЙЕРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 93
4.1. Анализ условий эксплуатации шнеков
пневматических винтовых насосов 94
4.2. Методика расчета толщины покрытия 96
4.3. Исследование относительной износостойкости покрытия 99
4.4. Разработка технологии получения износостойкого покрытия и его промышленные испытания 104
4.5. Установка для нанесения покрытия методом плазменного напыления 109
4.6. Экономические показатели эффективности внедрения технологии плазменного напыления 114
4.7. Выводы по главе 115
ВЫВОДЫ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 12 0
ПРИЛОЖЕНИЯ 13 3
- АНАЛИЗ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ПСМ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛАВА
- Требования к покрытию и технологическому процессу бездеформационного напыления
- Оборудование и материалы для проведения экспериментов
Введение к работе
Оборудование по производству строительных материалов работает в исключительно тяжелых эксплуатационных условиях, подвергается воздействию абразивных частиц перерабатываемого материала. Такие условия работы ведут к изменению эксплуатационных свойств, ухудшению технического состояния оборудования и появлению неисправностей, которые выражаются в изменении первоначальных форм, размеров, массы, структуры материала и механических свойств.
В условиях интенсивной эксплуатации оборудования промышленности строительных материалов (ПСМ) важное значение. имеет оперативное и качественное восстановление его элементов и узлов. Одним из наиболее эффективных методов восстановления является нанесение на поверхность деталей покрытий, обладающих необходимым уровнем эксплуатационных свойств.
Одним из перспективных способов восстановления изношенных деталей является плазменное напыление, позволяющее получать заданные служебные свойства. Плазменное напыление дает возможность получать необходимый состав материала в локальном месте на рабочей поверхности детали, обеспечивая при этом снижение стоимости ремонта без уменьшения се работоспособности.
В этой связи, вопросы исследования, анализа и увеличения ресурса деталей оборудования ПСМ плазменным напылением являются весьма актуальными как. в теоретическом, таки в практическом отношении.
Научные исследования проводились в соответствии с отраслевой темой № 8 3-Б-З «Создание научных основ эксплуатации и ремонта оборудования предприятий ПСМ с разработкой инженерных решений по его совершенствованию» (№ гос. регистрации 01830035565) .
Цель диссертационной работы - повышение ресурса узлов и деталей оборудования ПСМ с использованием технологии плазменного напыления.
При восстановлении и упрочнении рабочих поверхностей деталей важное значение имеют вопросы получения упрочненных поверхностей без последующих термических деформаций детали.
В настоящей диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, доказывающие возможность исключения и регулирования термического воздействия плазменной струи на деталь, получения равнотолщинных покрытий путем оптимизации кинематических параметров процесса, оптимизации режимов плазменного напыления с целью обеспечения наибольшей прочности сцепления покрытия с основой при заданной толщине покрытия.
На основании результатов проведенных исследований разработана методология получения равнотолщинных износостойких покрытий с заданными свойствами без последующей термической деформации детали.
С целью снижения трудоемкости последующей механической обработки была поставлена и решена задача получения равномерной толщины напыленного покрытия путем управления кинематическими параметрами процесса. Установлено, что главным определяющим фактором является
зависимость неровности напыления от расстояния между напыляемыми рядами. Получены расчетно-экспериментальные характеристики кинематических параметров процесса напыления, которые могут быть использованы при напылении детали любой конфигурации.
С целью установления оптимальных режимов при напылении износостойких покрытий была проведена оптимизация многофакторного процесса плазменного напыления. Установлены зависимости влияния режимов напыления на толщину и прочность сцепления покрытия, а также определены режимы напыления, обеспечивающие получение наибольшей прочности сцепления покрытия при заданной толщине.
Впервые экспериментально установлено, что методом бездеформационного плазменного напыления могут быть получены износостойкие равнотолщинные покрытия на шнековых валах винтовых конвейеров от шаровых мельниц СМ-1456 .
Проведенные исследования показали недостаточную износостойкость покрытий, нанесенных наплавкой. В работе исследован и решен вопрос обоснования и выбора износостойкого плазменного покрытия, обеспечивающего более высокие ресурсные характеристики шнековых валов винтовых конвейеров от шаровых мельниц СМ-14 56.
Для обеспечения высоких показателей прочности и износостойкости покрытий в работе предложена методика нанесения многослойного покрытия из самофлюсующегося сплава с карбидом вольфрама с последующим оплавлением.
Реализацию разработанного в данной работе технологического процесса нанесения износостойкого
8 покрытия предлагается осуществлять на установке плазменного напыления (свидетельство на полезную модель № 23143}
В результате исследований технологического процесса плазменного бездеформационного напыления износостойких покрытий с целью повышения ресурса узлов и деталей оборудования ПСМ на защиту выносятся следующие положения:
методы получения равнотолщинного износостойкого покрытия для узлов и деталей ПСМ, исключающие термическую деформацию детали;
результаты экспериментальных исследований по оптимизации режимов плазменного напыления, обеспечивающие получение наибольшей прочности сцепления покрытия при заданной толщине;
технологические мероприятия по повышению ресурса шнековых валов винтовых конвейеров от шаровых мельниц СМ-145 б и компоновочная схема установки плазменного напыления.
Основные результаты диссертационной работы в настоящее время используются при разработке технологических процессов восстановления и упрочнения деталей и узлов оборудования ПСМ. В частности на ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород) внедрен разработанный автором «Технологический процесс плазменного напыления износостойкого многослойного покрытия из самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и порошковой смеси с 35% карбида вольфрама на шнеки винтовых конвейеров от шаровых мельниц СМ-14566, бывшие в эксплуатации».
Фактический экономический эффект от внедрения данной разработки составил 86480 руб., что подтверждено соответствующими документами (Приложение 1).
Анализ ресурсных характеристик узлов и деталей оборудования ПСМ и постановка задачи исследования глава
Современное оборудование ПСМ (пневматические винтовые насосы и винтовые конвейеры для транспортирования сыпучих материалов, брикет-прессы для формовки кирпича и керамзита) представляет собой сложную техническую систему, работающую в непрерывном режиме. Ресурс работы данного оборудования до первого капитального ремонта, назначенный заводом-изготовителем, составляет 13000 часов. В процессе длительной эксплуатации происходит постепенное ухудшение физических и механических свойств материалов, нарушение соединений отдельных узлов и деталей, рост статических, динамических и термических напряжений в элементах оборудования. В результате возникают процессы старения, износа, коробления, растрескивания материалов. Отдельные узлы и детали приходят в неисправное состояние, ограничивающее ресурс их работы.
Для устранения неисправностей и поддержания работоспособного состояния оборудования в течение длительного времени применяется система планово-предупредительных ремонтов. Продолжительность межремонтного периода определяется сроками службы быстроизнашивающихся деталей. Многолетний опыт освоения различных видов оборудования ПСМ показывает, что из-за конструктивных недостатков, либо повышенного влияния неблагоприятных факторов фактический ресурс работы этих деталей может быть ограничен.
В процессе эксплуатации узлы и детали оборудования ПСМ подвергаются абразивному изнашиванию. Одной из многочисленных групп оборудования ПСМ составляет оборудование для транспортирования цемента и формовочных смесей: пневматические винтовые насосы (ПВН), винтовые конвейеры, брикет-прессы. Как показал статистический анализ, износ деталей данной группы оборудования колеблется от 0,1 мм до 5 мм [88].
Наработка основных узлов и деталей до замены приведена в табл. 1.1.
Эти ограничения сдерживают межремонтный пробег оборудования и влекут за собой увеличение затрат на приобретение запасных частей. Фактические затраты на приобретение запасных частей предприятиями по производству стройматериалов в большинстве случаев достаточно велики и являются потенциальным резервом экономии средств на ремонт за счет увеличения ресурса и восстановления быстроизнашивающихся деталей [84].
Проблема увеличения долговечности оборудования ПСМ может быть решена только на основе создания и освоения современных технологических процессов упрочнения поверхности методами нанесения покрытий при ремонте и восстановлении деталей, повышении технического уровня эксплуатации.
Вопросы придания поверхности повышенной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, упрочнения деталей, не допускающие термических деформаций и структурных изменений основного металла, упрочнение значительных по площади поверхностей могут быть решены только с помощью покрытий.
Требования к покрытию и технологическому процессу бездеформационного напыления
При выборе существующего или разработке нового покрытия должен быть удовлетворен ряд общих требований к ним [24, 80] . Схема требований к покрытиям приведена на рис. 2.1.
Под стоимостью покрытия подразумевается совокупность экономических показателей, определяющих эффективность его использования. Применяемые покрытия должны обладать требуемыми служебными качествами: износостойкостью, коррозионной стойкостью в различных средах, термостойкостью, антифрикционностью и другими, обеспечивающими ресурс детали.
Во многих случаях служебные свойства могут включать в себя одновременно сочетание нескольких требований. Требования к служебным свойствам покрытий (качественные и количественные) вытекают из изучения условий эксплуатации детали (нагрузки, среда, температура и др. ) .
Прочность покрытия является комплексным показателем и характеризует способность нормальной работы покрытия в диапазоне эксплуатационных нагрузок. К прочностным характеристикам относится адгезия (прочность сцепления покрытия с основой}, когезия (прочность сцепления между частицами в покрытии) и величина остаточных напряжений.
Остаточные напряжения являются следствием термических условий напыления, различия теплофизических свойств материалов подложки и покрытия, фазовых превращений и др.
Покрытие должно быть технологичным, определяемым минимумом технологических операций его получения. Необходимо чтобы эти операции могли реализоваться в условиях ремонтных баз с преимущественным использованием стандартного оборудования.
Применение процесса плазменного напыления, особенно для получения покрытий с высокой износостойкостью, дает большую экономию металла как за счет уменьшения объема запасных частей, так и за счет возможности многократного восстановления деталей.
Однако высокая твердость поверхности износостойкого покрытия создает значительные трудности при механической обработке деталей. Очень часто это обстоятельство сводит к минимуму преимущества процесса напыления, так как покрытия из твердых сплавов не поддаются обычным методам обработки - точению и фрезерованию. Повышение трудоемкости обработки усугубляется еще и тем, что из-за неравномерности напыленного слоя, возникающей за счет недоработки (низкой стабильности) технологического процесса, необходимо снимать значительный слой покрьлтия для получения заданной геометрии изделия. Особенно большое значение имеет снижение объема механической обработки при изготовлении сложных напыленных поверхностей.
При нанесении покрытий с применением плазменной установки действуют неблагоприятные факторы, оказывающие вредное влияние на организм оператора: высокий уровень шума, аэрозоль распыляемых материалов, токсичные газы (озон, окислы азота), ультрафиолетовое и инфракрасное излучение [49]. Поэтому при разработке технологии нанесения покрытий параллельно должны разрабатываться мероприятия, направленные на снижение воздействия неблагоприятных факторов и повышение безопасности труда работающих.
Опыт эксплуатации показывает, что часто необходимость поверхностного упрочнения детали возникает в условиях определенных ограничений, свойственных ремонтному обслуживанию:
- геометрические размеры детали не могут быть изменены;
- материал детали не подлежит замене, так как изношенные детали и фонд их запасов уже существует;
- технологические возможности ремонтных баз могут быть ограничены.
В этих условиях наибольшие затруднения в применении плазменных покрытий связаны:
- с низкими эксплуатационными свойствами материалов покрытий;
- с возможностью термического влияния процесса на деталь (остаточные деформации деталей, внутренние напряжения в покрытии, изменение структуры материала из-за нагрева или перегрева);
- с трудоемкостью механической обработки твердых покрытий, вызванной его волнистостью.
Устранение этих затруднений позволит решить задачу разработки технологического процесса бездеформационного плазменного напыления покрытий. В настоящее время необходимые эксплуатационные свойства покрытия обеспечиваются последующей термической обработкой (оплавлением).
Оборудование и материалы для проведения экспериментов
Испытания проводили на образцах-свидетелях, выполненных из стали 3. С целью повышения адгезии напыляемую поверхность подвергали струйной обработке карбидом кремния зернистостью 0,8-1 мм до шероховатости поверхности Ra=3,25-8,02 мкм, а затем обезжиривали спиртом.
Напыление материала производили на универсальной плазменной установке УПУ-8М плазмотроном ПП-25
В качестве исходного материала использовали металлические термореагироующие порошки следующих марок: ПТ-Ю5Н (применяли в качестве подслоя) и ПГ-12Н-01
Толщину поверхностного слоя измеряли на металлографическом микроскопе ММР-4Р при увеличении в 100 раз.
Определение прочности сцепления покрытия с основой осуществляли штифтовым методом по методике [50, 99].
Прочность сцепления испытуемого покрытия вычисляли как среднее арифметическое результатов пяти испытанных образцов.
Выбор входных параметров процесса плазменного напыления и установление диапазона их варьирования
На качество покрытий влияет достаточно большой ряд параметров процесса плазменного напыления: ток дуги; расход и состав плазмообразующего газа; дистанция и угол напыления; состав, расход и дисперсность напыляемого порошка; материал и условия подготовки поверхности основы к напылению и некоторые другие [14, 19, 29, 66, 69, 77].
Однако создание математической модели одновременно от большого числа факторов связано с трудностями принципиального и технического характера. Факторы в области определения исследуемого процесса должны отвечать следующим требованиям: они должны быть независимыми и управляемыми, т.е. каждый фактор в отдельности управляется независимо от уровня других факторов. Причем их комбинации должны быть осуществимы и безопасны [10,24].
Как показано в работах [29, 49, 99] большое влияние на качество и физико-механические свойства напыленного слоя оказывают выбранные режимы напыления (мощность дуги, дистанция напыления, время или скорость напыления).
Анализ экспериментальных данных процесса плазменного напыления (см. гл. 2) показал, что для обеспечения необходимых физико-механических свойств покрытия
{твердость, прочность сцепления с подложкой, пористость и др.) процесс напыления следует вести на дистанциях 50-150 мм, что хорошо согласуется с данными других авторов [29, 49] .
При дистанциях меньше 50 мм происходит перегрев частиц напыляемого материала, и процесс напыления может перейти в процесс наплавки, который характеризуется запотеванием обрабатываемой поверхности. Также создается опасность деформации основного металла под влиянием термических напряжений.
При дистанциях больше 150 мм температура и скорость напыляемых частиц снижается, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению прочности сцепления с основой, в результате чего может произойти отслоение покрытия от основы [49] .
С другой стороны КПД процесса нагрева изделия плазмой и частицами также зависит от дистанции напыления [49] . При дистанции напыления больше 90 мм диаметр пятна нагрева dH практически совпадает с шириной покрытия В, что обеспечивает большую сосредоточенность и интенсивность плазменной струи и способствует подогреву поверхности подложки.
Исходя из вышеизложенного, установлено, что оптимальные дистанции напыления плазменных покрытий находятся в пределах 100-140 мм.
Как известно [2 9], с увеличением мощности дуги улучшается качество покрытия. Интервал варьирования мощности дуги принимали в пределах 19...2 5 кВт исходя из технологических возможностей применяемого плазмотрона.
