Актуальность работы. В большинстве случаев выход из строя деталей машин обусловлен локальным изнашиванием рабочих поверхностей в местах интенсивного взаимодействия с рабочей средой или сопряженной деталью. Экономически и технически обоснованным является конструирование композиционной детали, сочетающей прочную, износостойкую, твердую поверхность нанесенного покрытия с пластичной, вязкой, трещиностойкой основой.
Одним из эффективных способов нанесения покрытий, получивших в настоящее время широкое применение, является газотермическое напыление. В частности, применение метода высокоскоростного газопламенного напыления позволяет получать на изделиях разнообразных форм и размеров сравнительно толстые покрытия с необходимыми эксплуатационными свойствами.
Установки высокоскоростного газопламенного напыления в последнее время довольно широко представлены на рынке. Однако большинство из них предусматривают использование в качестве материала для нанесения покрытия только порошки. Причем, в случае износостойких покрытий, порошки твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Применение дорогостоящих порошков значительно увеличивает и без того высокую себестоимость нанесения покрытия. Применение на порядок более дешевых отечественных порошковых проволок из низколегированных сплавов на основе железа, позволяет существенно снизить себестоимость нанесения покрытия, при вполне удовлетворительной износостойкости.
Существенное влияние на качество газотермических покрытий оказывает предварительная подготовка поверхности. Существующие традиционные методы подготовки поверхности (струйно-абразивная обработка, нарезание рваной резьбы т др.) не всегда эффективны, либо их применение в ряде случаев сопряжено со значительными трудностями. Поэтому значительный интерес представляет возможность расширения области применения метода электроискрового легирования (ЭИЛ) в качестве предварительной подготовки поверхности перед газотермическим напылением. Использование быстрорежущей стали как материала электрода при ЭИЛ, позволяет решить эту задачу, обеспечивая высокую адгезионную прочность газотермических покрытий, дополнительно существенно повышая служебные характеристики обрабатываемой поверхности.
В связи с вышесказанным, исследования, направленные на поиск новых технологических решений в данной области, безусловно, являются актуальными.
Цель работы.
Совершенствование технологии высокоскоростного газопламенного напыления для создания высококачественных углеродисто-хромистых покрытий системы Бе-С-Сг-П из порошковых проволок на деталях машин и механизмов, работающих в условиях абразивного изнашивания.
Для достижения поставленной цели в процессе выполнения работы решались следующие задачи:
1. Проанализировать существующие представления о механизмах абразивного изнашивания и обосновать выбор эффективного способа и материала для нанесения покрытия.
2. Разработать технологию получения высококачественных покрытий из порошковых проволок системы Бе-С-Сг-Т методом высокоскоростного газопламенного напыления.
3. Опытно-теоретическим путем определить оптимальные параметры режима напыления.
4. Оценить на основе расчета с использованием математической модели двухфазного потока характеристики гетерофазной струи, получаемые при оптимальных режимах напыления.
5. Провести комплексные исследования по определению физико-химических и служебных характеристик полученных покрытий
6. Разработать технологические основы для применения ЭИЛ быстрорежущей сталью в качестве предварительной подготовки поверхности под газотермическое напыление для создания износостойкого комбинированного покрытия.
7. Применить результаты работы для создания промышленной технологии нанесения износостойких покрытий методом высокоскоростного газопламенного напыления из порошковых проволок.
Методики исследования.
Основными методами исследования служили металлография, растровая электронная микроскопия, микрорентгеноспектральный анализ, электронная микроскопия, рентгеноструктурный фазовый анализ, дюрометрия, микродюрометрия, механические испытания. Использованы численные методы обработки экспериментальных данных с применением современной компьютерной техники.
Научная новизна работы.
1. Произведена теоретическая оценка температуры и скорости частиц в гетерофазной струе в процессе высокоскоростного газопламенного напыления;
2. В результате комплексных исследований установлено, что условия, имеющие место в процессе высокоскоростного газопламенного напыления с использованием МАФ-газа, приводят к появлению в углеродисто-хромистых покрытиях системы Бе-С-Сг-Т повышенного содержания метастабильного аустенита, способного, так же, как и в случае с компактными материалами, претерпевать у^а превращение при деформационном воздействии.
3. Установлено, что применение ЭИЛ быстрорежущей сталью в качестве предварительной подготовки поверхности под газотермическое напыление позволяет получать комбинированные износостойкие покрытия путем создания на поверхности основы подслоя с абсолютной адгезией к основе и коэффициентом линейного термического расширения близким к покрытию.
Практическая значимость работы.
1. Разработана технология высокоскоростного газопламенного напыления, позволяющая получать высококачественные покрытия системы Бе-С-Сг-Т из недорогих порошковых проволок отечественного производства.
2. Исследовано влияние дистанции напыления, скорости подачи порошковой проволоки, расхода рабочих газов и скорости перемещения пятна напыления на качество исследуемых покрытий Определены оптимальные режимы напыления износостойких покрытий из порошковых проволок системы Бе-С-Сг-П, диаметром 1,6, 2,6 и 3,2 мм.
3. Получены газопламенные покрытия, обладающие высокими и достаточными значениями адгезии, твердости и износостойкости, позволяющими с большой эффективностью применять их в различных условиях абразивного изнашивания.
4. Разработан технологический процесс предварительной подготовки поверхности под напыление методом ЭИЛ для создания комбинированных покрытий. Исследованы особенности формирования границы электроискровых покрытий с основным металлом и влияние энергии импульса на глубину зоны термического влияния.
5. Произведены промышленные испытания образцов с покрытиями на ОАО «КГОК «Ванадий» (г. Качканар), упрочненных лопаток ротора эксгаустера на ОАО «ЧМК» (г. Челябинск), полных комплектов упрочненных лопаток на ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк) и ОАО «ЕМЗ» (г. Енакиево), проведены стендовые испытания восстановленного коленчатого вала на ОАО «5ЦАРЗ» (г. Екатеринбург), а также ходовые испытания восстановленных коленчатых валов на ООО «Урайское УТТ» (г. Урай) и ОАО «Ураласбест» (г. Асбест), которые однозначно подтверждают высокую эффективность применения разработанной технологии для восстановления и упрочнения тяжелонагруженных деталей машин.
6. Разработанный технологический процесс нанесения упрочняющих покрытий на рабочую поверхность лопаток роторов нагнетателей внедрен на ОАО «УЗММ» (г. Верхний Уфалей).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный технологический процесс нанесения покрытий системы Ее-С-Сг-П методом высокоскоростного газопламенного напыления из порошковых проволок.
2. Результаты расчета термокинетического состояния частиц при формировании разработанных покрытий.
3. Результаты комплексных исследований и опытно-промышленных испытаний разработанных газотермических покрытий.
4. Технологическая схема предварительной подготовки поверхности под газотермическое напыление методом ЭИЛ быстрорежущей сталью.
5. Новые практические решения по применению разработанных покрытий с целью увеличения долговечности эксплуатации изделий.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на региональных, всероссийских и международных научно-технических конференциях и семинарах:
Научно-технические конференции в рамках 7-й, 8-й, 9-й, 10-й специализированных выставок «Сварка. Контроль и диагностика», (Екатеринбург, 2007, 2008, 2009, 2010); I международная научно-техническая конференция «Повышение эксплуатационной прочности металлургического оборудования работающего в тяжело-нагруженных условиях», (Екатеринбург, 2008).; IX Российский семинар «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», (Курган, 2008); XII Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении», (Пенза, 2008); Региональная научно-техническая конференция «Наука-образование-производство: опыт и перспектива развития», (Нижний Тагил, 2009); XVI и XVII Международные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», (Москва, 2009, 2010); I и II Всероссийские научно-практические конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2009, 2010); Международная научно-практическая конференция «Государственное регулирование и стратегическое партнерство в горно-металлургическом комплексе», (Екатеринбург, 2009); I и II Международные научно-практические конференции «Современные технологии дезинтеграции и обогащения: Технологии. Оборудование. Защита от износа. Сервис», (Екатеринбург, 2009, 2010); II Международная научно-производственная конференция «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», (Пенза, 2009); Международная научно-практическая конференция «Инженерия поверхностного слоя деталей машин». (Кемерово, 2009); Всероссийские научные конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации». (Новосибирск, 2009, 2010); 12-я Международная научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», (Санкт Петербург, 2010) ; Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве», (Орск, 2011).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 34 печатных работы, в том числе 7 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов по работе, библиографического списка из 147 наименований и 7 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, включает 83 рисунка, 22 таблицы.
1. Анализ литературных данных показал, что абразивная износостойкость стали является структурно-чувствительной характеристикой, поэтому эффективными износостойкими покрытиями являются покрытия, отвечающие принципу метастабильного аустенита, способные упрочняться под воздействием рабочих нагрузок в процессе эксплуатации.
2. Разработана технология высокоскоростного газопламенного напыления, позволяющая получать высококачественные покрытия системы Ре-С-Сг-Т из недорогих порошковых проволок отечественного производства. Оптимизированы параметры процесса напыления. Максимальное значение параметра оптимизации (относительной износостойкости) достигается при дистанции напыления - 150 мм, расходе рабочих газов (МАФ газ/кислород) - 1,35/7,5 м3/ч, а также минимально возможной, при сохранении высокого качества покрытий, скоростью подачи порошковой проволоки для каждого диаметра.
3. Расчет температуры и скорости частиц по оси струи, показал, что при напылении на оптимальных режимах, благодаря высокой энтальпии плавления (8,4’104 Дж/кг) и кратковременности полета частиц (4’10-4 с), формирование покрытия происходит преимущественно из вязкопластичных частиц (0
4. Комплексное исследование показало, что условия, имеющие место в процессе высокоскоростного газопламенного напыления с использованием МАФ-газа, приводят к появлению в углеродисто-хромистых покрытиях системы Ее-С-Сг-Т повышенного содержания метастабильного аустенита, способного, также как и в случае с компактными материалами, претерпевать у^а превращение при деформационном воздействии, что объясняет высокую износостойкость исследуемых покрытий в условиях абразивного изнашивания. Однако реализовать данный механизм упрочнения за счет у ^ а превращения удается лишь благодаря высоким адгезионным и когезионным показателям покрытий, получаемым при высокоскоростном газопламенном напылении при оптимальных режимах.
5. Установлено, что применение ЭИЛ быстрорежущей сталью в качестве предварительной подготовки поверхности под газотермическое напыление позволяет получать комбинированные износостойкие покрытия путем создания на поверхности основы подслоя с абсолютной адгезией к основе и коэффициентом линейного термического расширения, близким к покрытию.
6. Произведены промышленные испытания образцов с покрытиями на ОАО «КГОК «Ванадий» (г. Качканар), упрочненных лопаток на ОАО «ЧМК» (г. Челябинск) и двух полных комплектов упрочненных лопаток на ОАО «ЗСМК» (г. Новокузнецк) и ОАО «ЕМЗ» (г. Енакиево), стендовые испытания восстановленного коленчатого вала на ОАО «5ЦАРЗ» (г. Екатеринбург), а также ходовые испытания восстановленных коленчатых валов на ООО «Урайское УТТ» (г. Урай) и ОАО «Ураласбест» (г. Асбест), которые однозначно подтверждают высокую эффективность применения разработанной технологии для восстановления и упрочнения тяжелонагруженных деталей машин. Разработанный технологический процесс нанесения упрочняющих покрытий на рабочую поверхность лопаток роторов нагнетателей внедрен на ОАО «УЗММ» (г. Верхний Уфалей).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
