Актуальность темы
Абразивный износ является одним из основных факторов, ограничивающих ресурс работы деталей, узлов машин и оборудования различного назначения.
С целью повышения абразивной износостойкости применяют различные методы обработки рабочей поверхности. Перспективным направлением создания защитных покрытий, является дуговое напыление, но металлизационное покрытие быстро разрушается под воздействием абразива, в результате микрорезания и отслоения его частиц с недостаточной когезионной прочностью.
Для устранения указанных недостатков металлизационных покрытий по критериям стоимости и производительности предпочтительно использование последующей плазменной обработки.
Однако влияние плазменного поверхностного оплавления на свойства напыленных покрытий на основе железа и процесс распространения тепла в композиции «покрытие - основа» изучены недостаточно, что затрудняет применение данной технологии. Для определения влияния параметров режима плазменной обработки на свойства напыленного покрытия после оплавления удобно воспользоваться таким инструментом, как математическое моделирование, позволяющее определить распределение температур в композиции, термический цикл обработки и скорости нагрева и охлаждения материала.
К деталям подверженным интенсивному износу в процессе эксплуатации, в частности, относятся рабочие органы почвообрабатывающих машин. На интенсивность изнашивания таких орудий оказывают влияние однородность, влажность и плотность почвы, форма и скорость движения рабочих органов, а также материалы из которых они изготовлены. Годовые затраты на поддержание исправного состояния сельскохозяйственной техники составляют (млрд. руб.): 1,2 для плугов, 2,5 для культиваторов и 2,7 для сеялок. Высокие скорости износа лемехов и потребность в них колхозов, а также простота их монтажа/демонтажа на плуг делают их идеальным объектом для проведения натурных испытаний.
Степень разработанности темы исследования
Проблемам улучшения характеристик напыленных покрытий путем последующей обработки высококонцентрированными источниками нагрева посвящены труды В.Н. Анциферова, М.А. Геллера, Д.В. Губарькова, В.А. Клименова, А.А. Митрофанова, А.В. Похмурской, Н.В. Спиридонова, E. Chikarakara, Chong Cui, Shi-Hong Zhang, Qun Wang, B.S. Yilbas. Их работы в значительной мере способствовали изучению влияния последующей термической обработки на свойства газотермических покрытий. Однако в трудах этих ученых не рассматривается влияние плазменной обработки на характеристики покрытий из экономнолегированных сплавов.
Цель работы заключается в изучении влияния плазменного оплавления на повышении абразивной износостойкости покрытий системы Ре-С-Сг-Т1-А1, полученных дуговой металлизацией.
Для достижения намеченной цели в процессе выполнения работы были решены следующие задачи:
- разработана модель тепловых процессов в системе «неоднородное покрытие - сплошное тело» под воздействием высококонцентрированного источника нагрева, применительно к плазменной обработке, с целью определения параметров режима;
- определены закономерности влияния плазменной обработки на характеристики структуры и их связь с физико-механическими и служебными свойствами покрытий системы Ре-С-Сг-Т1-А1;
- на основе полученных данных разработана технология плазменного оплавления металлизационных покрытий на основе железа для повышения их абразивной износостойкости, применительно к рабочим органам сельскохозяйственной техники, для продления их срока службы.
Методы исследования
В теоретических исследованиях использовали численный эксперимент, проведённый с использованием разработанной автором модели, выполненной в пакете Ма111Сас1 14. Экспериментальные исследования выполнены по стандартным методикам, на сертифицированном оборудовании, и включали в себя: элементный анализ, сканирующую электронную микроскопию, рентгеноструктурный фазовый анализ, волнодисперсионный и энергодисперсионный микрорентгеноспектральный анализ, фотоэлектрический спектральный метод, замеры микротвердости, механические испытания по определению абразивной износостойкости по закрепленному абразиву. Для подтверждения результатов исследования проведены эксплуатационные испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин, упрочненных по разработанной технологии.
Научная новизна работы
- разработана модель распространения тепла в системе «неоднородное покрытие - сплошное тело», под воздействием плазменного источника нагрева, с учетом параметров режима плазменной обработки, а также влияния пористости и оксидных прослоек на теплофизические свойства покрытий;
- на основе анализа расчетов, полученных при моделировании, установлен характер зависимости геометрических размеров зоны оплавления от параметров режима плазменной обработки, а также влияние химического состава и неоднородности покрытий на их теплофизические характеристики;
- установлено, что износостойкость металлизационных покрытий после плазменного оплавления в 2 раза выше чем у наплавленных слоев того же состава, что связано с полным окислением алюминия и титана, способствующим образованию структуры мартенсита с упрочнением дисперсными карбидами хрома.
Теоретическая и практическая значимость работы
На основе разработанной математической модели создан программный комплекс, позволяющий оценить влияние параметров режима плазменной обработки на структурные и геометрические параметры зоны оплавления в композиции «металлизационное покрытие - основа». Установлено влияние плазменного оплавления на структурные и физико-механические характеристики металлизационного покрытия системы Ре-С-Сг-Т1-А1. На основе полученных данных разработана технология плазменного оплавления металлизационных покрытий, по которой упрочнены опытные рабочие органы почвообрабатывающих машин, успешно прошедшие эксплуатационные испытания.
Основные положения, выносимые на защиту
- модель процесса плазменного оплавления металлизационного покрытия, описывающая влияние параметров режима обработки на геометрию и структурные характеристики оплавленной зоны;
- результаты исследования физико-механических и служебных свойств металлизационных покрытий из порошковой проволоки системы легирования типа Ре-С-Сг-Т1-А1 до и после плазменного оплавления;
- технология плазменного оплавления металлизационного покрытия, обеспечивающая значительное повышение абразивной износостойкости, применительно к рабочим органам почвообрабатывающих машин.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность расчетов, выполненных по разработанной модели, подтверждается экспериментальными данными, полученными по верифицированным методикам и обладает достаточной точностью для оценки области рациональных параметров режима плазменной обработки. Достоверность лабораторных исследований полученных покрытий подтверждена на практике в ходе эксплуатационных испытаний.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на региональных, всероссийских и международных конференциях по сварке и родственным технологиям: 12, 13 и 14 научно-технических конференциях «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2012, 2013, 2014); национальной научно-технической конференции (Москва, 2012); VI Уральской научно-практической конференции «Сварка. Реновация. Триботехника.» (Н. Тагил, 2013); международной научно-технической конференции «Сварка и контроль» (Пермь, 2013); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы прочности» (Екатеринбург, 2013); международной конференции «Сварка и родственные технологии - настоящее и будущее» (Украина, Киев, 2013); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инженерная мысль машиностроение будущего» (Екатеринбург, 2013); всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2014); всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки и техники» (Пермь, 2015); научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 публикации в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов по работе, библиографического списка из 112 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 122 страницах печатного текста, включает 46 рисунков и 19 таблиц.
1. Наличие пор и слоистой структуры металлизационных покрытий приводит к снижению их абразивной износостойкости, а достаточно низкая адгезия покрытия в условиях эксплуатации может привести к отслоению. Показано, что для повышения износостойкости покрытий наиболее эффективно использование последующего плазменного оплавления. Однако, такая обработка металлизационных покрытий на основе железа сдерживается вследствие отсутствия технологических рекомендаций применительно к обработке материалов с низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления.
2. Для определения параметров режима обработки разработана модель распространения тепла от плазменного источника нагрева в двухслойной композиции «металлизационное покрытие - основа». Анализ результатов расчетов позволил достоверно оценить влияние пористости, состава и толщины покрытия на их теплофизические характеристики, а также, параметров режима плазменной обработки на коэффициент формы проплавления композиции. Необходимые параметры режима плазменной обработки определены по критерию максимального коэффициента формы проплавления подложки, при этом отклонение результатов расчетов по разработанной модели от экспериментальных данных не превышает 20 %.
3. Установлено, что оплавленное покрытие состоит из четырёх основных характерных зон, располагающихся от основного металла к поверхности оплавления. Зона, примыкающая к основной стали, толщиной 50¬150 мкм, состоит из мелких равноосных зерен 8-9 балла, над ней располагается зона толщиной до 50-100 мкм более крупных равноосных зерен 6-7 балла пакетного мартенсита, содержащего выделения дисперсных карбидов. Указанные зоны переходят в основной слой толщиной 1500-2000 мкм вытянутых столбчатых зёрен (дендритов), длиной 300-500 мкм и шириной 30¬60 мкм, состоящих из пакетного мартенсита, окруженного тонкой оболочкой карбидной эвтектики и верхней части переплавленного покрытия, толщиной до 500 мкм, состоящей из равноосных зёрен размером 20-50 мкм. Строение указанных зон объясняется особенностями теплоотвода от расплавленного покрытия в основу с большим коэффициентом теплопроводности.
4. Показано, что образование плотной структуры мелкодисперсного мартенсита с карбидным упрочнением и равномерное распределение легирующих элементов при оплавлении покрытия системы Fe-Cr-C-Ti-Al приводит к повышению его микротвердости в 1,5 раза в сравнении с металлизационным покрытием до оплавления, имеющим неоднородную структуру мартенсита. Пониженная микротвердость наплавленных слоев обуславливается образованием ячеистой ферритно-мартенситной структуры, образовавшейся за счет обеднения углеродом металлической матрицы, при образовании большого количества карбидных фаз.
5. Установлено, что износостойкость оплавленных плазмой покрытий Fe-Cr-C-Ti-Al в 2,5 раза выше, чем у металлизационных покрытий до оплавления и в 1,4 раза выше износостойкости слоя, выполненного аргонодуговой наплавкой из той же порошковой проволоки. Значительные потери массы образцов с металлизационным покрытием после испытаний связаны со смешанным механизмом износа, сочетающим царапание и отслоение участков покрытия с низкой когезионной прочностью при попадании абразивных частиц в пограничные слои и поры покрытия. Пониженная износостойкость наплавленного металла обуславливается образованием ферритно-мартенситной структуры, обладающей более низкой твердостью в сравнении с мартенситной структурой оплавленного покрытия.
6. Разработан технологический процесс упрочнения экономнолегированных металлизационных покрытий системы Fe-Cr-C-Ti-Al путем плазменного оплавления применительно к лемехам плуга.
7. Упрочненные по разработанной технологии лемеха плуга прошли успешные испытания в колхозе имени Калинина Удмуртской республики.
8. По результатам эксплуатационных испытаний установлено, что ресурс упрочненных по разработанной технологии лемехов при обработке суглинистых почв на 34 % выше в сравнении с серийным лемехом из стали 65Г после объемной закалки.
9. Установлено, что угол заточки лезвия лемеха с оплавленным плазмой металлизационным покрытием сохранился после эксплуатационных испытаний, что указывает на присутствие эффекта самозатачивания.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
