CC BY
33
Елена Михайловна Юдина, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, elena_yudina1963@mail.ru
Николай Васильевич Малашихин, ассистент. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, malashikhin95@bk.ru
Ирина Васильевна Вульшинская, соискатель. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина». Россия, 350044, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Калинина, 13, ira.0409200@gmail.com
Gennady G. Maslov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, maslov-38@mail.ru
Elena М. Yudina, candidate of Technical Sciences, assistant Professor. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, elena_yudina1963@mail.ru
Nikolai V. Malashikhin, assistant. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, malashikhin95@bk.ru
Irina V. Vulshinskaya, research worker. Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin. 13, Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia, ira.0409200@gmail.com
-Ф-
Научная статья УДК 669.056
Анализ порошков для лазерной наплавки при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники
Андрей Сергеевич Иванов
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. При эксплуатации сельскохозяйственной техники значительная часть деталей подвергается средним и большим нагрузкам, вследствие чего происходит их износ. Технологический процесс восстановления и упрочнения таких деталей лазерной наплавкой, преследующий экономию денежных средств, является актуальным направлением. Цель исследования - проанализировать влияние порошков различного состава на получаемые свойства покрытий в процессе лазерной наплавки. Показано, что форма и вид применяемого присадочного материала, а также способы введения этого материала в зону обработки лазером, существенно влияют на качество получаемых поверхностных покрытий. Отмечены достоинства и недостатки порошков различного состава для лазерной наплавки. Доказано, что для обеспечения повышенной твёрдости получаемых покрытий деталей машин сельскохозяйственного назначения в результате наплавки лазером, а также снижения вероятности трещинообразования, необходимо минимизировать в составе применяемых порошков содержание боридо- и карбидообразующих элементов. Эффективным способом является уменьшение внутренних деформаций растяжения в наплавляемом металле за счёт снижения скорости процесса наплавки и количества подаваемого порошка, применения предварительно подогретого материала.
Ключевые слова: сельскохозяйственная техника, восстановление деталей, порошок, наплавка, лазер.
Для цитирования: Иванов А.С. Анализ порошков для лазерной наплавки при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5(91). С. 125 - 129.
Original article
Analysis of powders for laser cladding during reduction parts of agricultural machinery
Andrey S. Ivanov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. During the operation of agricultural machinery, a significant part of the parts are exposed to medium and heavy loads, as a result of which their wear occurs. The technological process of restoring and hardening such parts by laser cladding, pursuing cost savings, is an urgent direction. The aim of the study is to analyze the effect of powders of various compositions on the obtained properties of coatings in the process of laser cladding. It is shown that the shape and type of the used filler material, as well as the methods of introducing this material into the laser treatment zone, significantly affect the quality of the resulting surface coatings. The advantages and disadvantages of powders of various compositions for laser cladding are noted. It is proved that in order to ensure the increased hardness of the obtained coatings of parts of agricultural machines as a result of laser cladding, as well as to reduce the probability of cracking, it is necessary to minimize the content of boride and carbide-forming elements in the composition of the powders used. An effective method is to reduce
internal tensile deformations in the metal being deposited by reducing the speed of the surfacing process and the amount of powder supplied, using a preheated material.
Keywords: agricultural machinery, restoration of parts, powder, surfacing, laser.
For citation: Ivanov A.S. Analysis of powders for laser cladding during reduction parts of agricultural machinery. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 125 - 129. (In Russ.).
Для решения проблемы увеличения срока службы деталей машин в настоящее время применяются различные способы. Один из таких способов, позволяющих восстановить подверженные износу поверхности деталей, это лазерная наплавка. Бесконтактное воздействие в ходе этого технологического процесса, его автоматизация, способность обрабатывать труднодоступные места, получать высококачественный наплавляемый слой, все это обуславливает интерес производственников и учёных в развитии данного способа [1, 2].
При эксплуатации сельскохозяйственной техники значительная часть деталей подвергается средним и большим нагрузкам, вследствие чего происходит их износ. Приобретение новых деталей требует значительных денежных средств. Поэтому технологический процесс восстановления и упрочнения таких деталей, преследующий экономию денежных средств, является актуальным направлением [3].
Цель исследования - проанализировать влияние порошков различного состава на получаемые свойства покрытий в процессе лазерной наплавки.
Материал и методы исследования. Проведён сравнительный анализ современных порошков. Форма и вид применяемого присадочного материала, а также способы введения этого материала в зону обработки лазером существенно влияют на качество получаемых поверхностных покрытий. В ряде случаев присадочный материал наносится на поверхность детали в виде фольги, проволоки, прутков или напыляется газотермическими методами, а затем происходит оплавление его лазерным излучением [4]. Однако существует большая вероятность потери значительной части энергии на отражение, особенно при длине волны лазерного излучения 10,6 мкм. Наиболее просто осуществлять подачу присадочных материалов из газовой фазы (например, создавая плазменный факел азота), но при этом практически не изменяются размеры детали, т.е. восстановить изношенную поверхность не удаётся. Для того чтобы уменьшить отражение, применяют присадочный материал в виде порошка, но при этом необходимо обеспечить закрепление порошка на обрабатываемой поверхности детали, достигается это применением таких связующих веществ, как масло, углеводороды, клеи на различной основе и другие [3]. В качестве присадочных материалов для лазерной наплавки используются порошки различных металлов, химических соединений,
смесей порошков, самофлюсующихся сплавов [4].
Результаты исследования. В ранее опубликованной работе [5] исследовали легирование технического железа и стали ШХ15 порошками №, Мо, Т^ Та, № и V. При облучении импульсами с энергией 9 Дж и длительностью 4 мс получали слои 300 - 400 мкм. Образовывались зоны, отличающиеся от основного металла химсоставом и свойствами. За исключением легирования никелем, покрытия имели повышенную микротвёрдость. Более интенсивное упрочнение наблюдается при использовании в наплавочном порошке частиц карбидов и нитридов с высокой твёрдостью и дисперсностью.
При газопорошковой лазерной наплавке в качестве транспортирующего газа используются гелий, аргон, воздух, углекислый газ, азот. Установлено, что тип применяемого газа несущественно влияет на получаемые покрытия в случае применения самофлюсующихся порошков. Для несамофлюсующихся порошков, а также их смесей рекомендуется применять инертные газы, поскольку на воздухе при высокой температуре наблюдается окисление порошков, в результате чего в наплавляемых валиках образуются поры и несплавления. Для качественной наплавки важны форма и дисперсность частиц порошка. Мелкие порошки обладают плохой текучестью, комкуют-ся, а крупные забивают питающие устройства. Порошки из гранул фракцией 40 - 100 мкм имеют наиболее качественные технологические свойства. Кобальт, никель, железо являются наилучшим вариантом основы при использовании самофлюсующихся сплавов в технологии наплавки лазером. Состав некоторых порошков и значение твёрдости сплавов на их основе представлены в таблице 1.
Такие вещества, как бор, карбиды вольфрама, титан, ферротитан, феррованадий и другие, нередко применяют в качестве добавки к порошкам для получения самофлюсующихся сплавов [6]. Иногда используют композиции самофлюсующихся порошков на основе никеля и железа. Металлографические исследования [7] показали, что структура наплавленных лазером покрытий из порошков типа ПГ-СР3 и ПГ-СР4 представляет эвтектику никеля (5,65 - 8,20), прочный раствор на основе никеля (2,8 - 3,65 ГПа) и образования кристаллов различных форм и размеров (10,8 - 38,0 ГПа), к которым можно отнести бориды хрома СгВ2, СгВ, Сг2В, Сг5В3, карбиды хрома Сг7С3, Сг23С6 и М23С6 (10,8 - 14,5 ГПа) и никеля №В, №2В, №3В (15 - 24 ГПа).
Микрорентгеноспектральные исследования распределения в покрытии хрома, бора и углерода показали, что происходит процесс образования сложных соединений хрома с углеродом и бором в структуре покрытий типа карбоборидов М(С, В)з и М23 (С, В)6 с микротвёрдостью 28 - 38 ГПа. Твёрдость покрытий зависит от перемешивания металла основы и присадки и скорости охлаждения [8]. При увеличении коэффициента перемешивания и уменьшении скорости охлаждения твёрдость покрытия уменьшается. Одним из недостатков технологии газопорошковой лазерной наплавки самофлюсующимися порошками на хромоникеле-вой основе является склонность к трещинообра-зованию. В зависимости от режимов обработки (непрерывный, импульсно-периодический) трещины наблюдаются продольные и поперечные. Металлографический анализ расположения трещин в наплавленном валике (система №-Сг-В^) показал, что зародыши трещин располагаются по зонам срастания дендритов [9]. Трещины большой протяжённости пересекают как тело первичного зерна, так и межкристаллические прослойки. При фрактографических исследованиях в 80 % изломов на поверхности трещин обнаружены очаги межкристаллического разрушения по следам обособленной кристаллизации жидкой фазы. Появление трещин наиболее вероятно при температурах резкого снижения пластичности. Исследование показало, что в интервалах температур 20 - 200, 400 - 600, 770 - 825, 925°С и выше наплавленный металл обладает пониженной
пластичностью. Образование трещин возможно во всех обнаруженных интервалах температур, но наиболее вероятно в высокотемпературной области, где металл наплавки обладает низкой прочностью. В таких металлах образуются крупные карбиды или бориды, окисные плёнки вследствие нерасплавленных частиц порошка и трещин в результате кристаллизации (наиболее опасны), всё это приводит к разрушению покрытия. В подавляющем большинстве случаев разрушение наплавленного слоя происходит именно от горячей трещины. Одним из способов повышения технологической прочности является уменьшение внутренних деформаций растяжения в наплавляемом металле за счёт снижения скорости процесса наплавки и количества подаваемого порошка, применения предварительно подогретого материала. Если применяется предварительный подогрев, то необходимо учесть и процесс охлаждения материала по причине возможного образования так называемых хрупких зон. Скорость формирования внутренних деформаций зависит от температуры следующим образом: невысокие температуры ее повышают, а высокие - снижают. Интенсивность образования трещин зависит от качества порошка: количество трещин изменяется от одной партии порошка к другой.
При исследовании процессов трещинообразо-вания при лазерной наплавке хромборникелевых порошковых сплавов отмечается, что количество трещин зависит от скорости наплавки [10].
1. Химический состав и твёрдость наплавленных покрытий из самофлюсующихся порошков
Марка порошка Содержание элементов, % по массе HRC
С Сг Si В Fe Со Ni W Мо
ПГ-СР2 0,2 - 0,5 12,0 - 15,0 2,0 - 3,0 1,5 - 2,1 5 - ост. - - 35
ПГ-СР3 0,4 - 0,7 13,5 - 16,5 2,5 - 3,5 2,0 - 2,8 5 - ост. - - 45
ПГ-СР4 0,6 - 1,0 15,0 - 18,0 3,0 - 4.5 2,8 - 3,8 5 - ост. - - 55
СНГН-50 0,5 - 0,7 13,0 - 15,0 3,0 - 4,7 2,7 - 3,2 3,5 - ост. - - 47
СНГН-60 0,9 - 1,1 16,0 - 19,0 4,0 - 5,0 4,0 - 4,7 4,5 - ост. - - 58
100Х28К63В4 1,1 28,0 - - - осн. - 4,0 - 42
250Х32К44В17 2,5 32,0 - - - осн. - 17,0 - 58
25Х27К61М5Н3 0,25 27 - - - осн. 3,5 - 5,0 20
ПГ-ФБХ6-2 3,5 - 5,5 32 - 37 1,0 - 2,5 1,3 -2,0 осн. - Мп 1,5 - 4,0 - - 52
2. Химический состав самофлюсующихся порошков и ферросплавов
Марка Содержание элементов, % по массе Твёрдость при скорости, мм/с
C Сг B Si Fe N1 V Ti Mn Cu
4,5 14,5
ПГ-СР4М 0,95 - 1,0 17,0 4,23 4,23 2,86 ост. - - - - 931 790
ПГ-СР3М 0,6 - 1,0 16,07 3,19 3,66 2,97 ост. - - - - 842 600
ПГ-СР30М 0,46 13,8 1,74 2,53 3,53 ост. - - - - 521 524
ПГ-СР2М 0,2 15,2 2,65 3,08 3,13 ост. - - - - 676 631
FeV 0,47 - - - ост. - 51,54 - - - - -
FeSi - 0,12 - 77,77 ост. - - - 0,28 - - -
FeTi 0,1 - - 5,32 ост. - - 32,67 - 1,59 - -
Химический состав наплавляемого порошка также влияет на склонность к трещинообразо-ванию. Ранее было исследовано влияние химических элементов на трещинообразование и микроструктуру наплавленного металла путём введения в хромборникелевые поршни ферросплавов в количестве 3 % по массе, а также карбид бора В4С и углерода [11]. Химсостав исследованных материалов и твёрдость наплавки приведены в таблице 2. Наплавка проводилась при мощности 1 кВт, скорости 4,5 - 15 мм/с, амплитуде сканирования луча - 2,5 мм, подложка - высокоотпущенная сталь ЭИ 107. Измерения температуры при наплавке показали, что время пребывания металла в расплавленном состоянии не превышает 1,2 - 0,4 с, при этом скорость кристаллизации ванны изменяется от 900 до 2000 °С/с, трещины образуются при 450° С. В результате исследования установлено, что содержание в порошковых материалах углерода и бора, а также повышение скорости лазерной наплавки способствуют образованию трещин в наплавленных валиках.
Небольшие добавки (5 %) ферросилиция, ферротитана и феррованадия значительно снижают склонность к трещинообразованию, причём воздействие последнего наиболее эффективно. Уменьшение склонности к трещинообразованию обусловлено увеличением количества в структуре пластичной у-фазы, способной релаксировать высокие температурные напряжения в процессе охлаждения.
С целью повышения износостойкости лазерных покрытий на никелевой основе предпринимаются попытки дополнительного введения в них легирующих добавок. Сравнительное исследование лазерных наплавок из самофлюсующегося сплава ПН77Х16С3Р3 с добавкой 30 % карбидов В4С, Сг3С2 или WC показало, что наибольшее повышение износостойкости (в 3,8 раза) получено при дополнительном введении 30 % порошка СГ3С2. Повышение износостойкости наблюдается при лазерной наплавке смесью порошков ПГ-СР3 и ФБХ-6-2 [12 - 14]. Несмотря на то что износостойкость покрытий из ФБХ-6-2 в 4 раза выше, чем из ПГ-СР3, рекомендуется применять порошковую композицию, состоящую из 75 % ФБХ-6-2 и 25 % ПГ-СР3, которая при оптимальном режиме наплавки обеспечивает сочетание пластичности (трещиностойкости) и износостойкости.
Вывод. Для того чтобы обеспечить повышенную твёрдость получаемых покрытий деталей машин сельскохозяйственного назначения в результате наплавки лазером, а также снизить вероятность трещинообразования, необходимо минимизировать в составе применяемых порошков содержание боридо- и карбидообразующих элементов. Получать покрытия высокого качества
без научно обоснованного подхода к применению порошков достаточно сложно, а в ряде случаев не представляется возможным, особое внимание при этом необходимо уделять режимам процесса наплавки.
Литература
1. Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Исследование лазерной наплавки чугуна подачей порошка ПГ-ФБХ-6-2 в зону оплавления // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 182 - 185.
2. Методика проведения лабораторных исследований процесса плазменной наплавки / В.А. Шахов, П.Г. Учкин, М.Г. Аристанов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 6 (86). С. 144 - 149.
3. Хызов А.А., Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Перспективы применения лазерной наплавки при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2019. № 154. С. 45 - 54.
4. Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Исследование качества покрытия чугуна при лазерной наплавке порошком ПГ-УС25 // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 4 (78). С. 146 - 148.
5. Методы поверхностной лазерной обработки: учеб. пособ. для вузов / А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. 3-е изд., стер. М.; Берлин: Директ-Медиа, 2021. 190 с.
6. Технологии лазерного синтеза порошковых материалов для создания, восстановления и ремонта деталей сельхозмашин / А.Ю. Измайлов, С.А. Сидоров, В.К. Хо-рошенков [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 2. С. 3 - 7.
7. Коваленко В.С., Волгин В.И. Лазерное легирование конструкционных материалов // Технология и организация производства. 1976. № 7. С. 60 - 62.
8. Комбинированная электрофизическая обработка порошковых титановых сплавов / В.Н. Гадалов, И.В. Вор-начева, А.В. Филонович [и др.] // Успехи современной науки. 2017. Т. 6. № 3. С. 157 - 163.
9. Сбрижер А.Г. Структура и свойства покрытий из самофлюсующихся сплавов // МиТОМ. 1988. № 4. С. 42 - 44.
10. Жетесова Г.С., Жаркевич О.М., Плешакова Е.А. Упрочнение газотермических покрытий импульсным лазерным излучением // Технология машиностроения. 2015. № 5. С. 30 - 33.
11. Влияние состава порошка и условий наплавки на механические свойства покрытий на основе никеля с добавками WC, нанесённых методом прямого лазерного наплавления / А.В. Вараксин, В.А. Костылев, В.Л. Лисин [и др.] // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 48. № 12. С. 150 - 158.
12. Жирнов И.В., Дубенская М.А., Смуров И.Ю. Визуализация потока порошка при коаксиальной лазерной наплавке и изменение его геометрии в зависимости от параметров впрыска // Вестник МГТУ Станкин. 2015. № 3 (34). С. 57 - 62.
13. Грезев А.Н., Сафонов А.Н. Трещинообразование и микроструктура хромборникелевых сплавов, наплавленных с помощью лазера // Сварочное производство. 1986. № 3. С. 6 - 8.
14. Архипов В.Е., Биргер Е.М. Технологические особенности лазерной порошковой наплавки //Сварочное производство. 1986. № 3. С. 8 - 10.
Андрей Сергеевич Иванов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, ivanovas@gausz.ru
Andrey S. Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural
University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, ivanovas@gausz.ru
-♦-
Научная статья
УДК 631.862
Применение тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства
Александр Николаевич Головко, Анатолий Михайлович Бондаренко
Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ
Аннотация. При производстве продукции животноводства производятся также побочные продукты -отходы жизнедеятельности животных, объёмы которых соизмеримы с объёмами производимой продукции. Неизбежно возникает проблема переработки и утилизации побочных продуктов животноводства во избежание загрязнения прилежащей производственной территории животноводческих комплексов и загрязнения окружающей среды. В результате анализа существующих способов переработки твёрдых органических отходов было определено, что одним из самых низкозатратных и эффективных способов является компостирование. Использование этого способа эффективно при создании определённых условий его протекания. Одним из основных факторов такого способа является снижение времени протекания процесса биотермического обеззараживания. К факторам, влияющим на ускорение процесса обеззараживания при компостировании, относится активация температурного режима в объёме перерабатываемых твёрдых органических отходов. Для ускорения нагрева продуктов компостирования используют различные методы, многие из которых экономически затратные и поэтому могут быть применимы при относительно большом количестве продуктов переработки. Возобновляемые источники энергии, к которым относится тепловая солнечная энергия, доступны всем и при любом объёме переработки. Проведён анализ существующих технологий компостирования твёрдых органических отходов. Рассмотрен способ применения тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства и получения концентрированных органических удобрений.
Ключевые слова: органические отходы животноводства, возобновляемая энергия, тепловая энергия солнца, компостирование, обеззараживание.
Для цитирования: Головко А.Н., Бондаренко А.М. Применение тепловой солнечной энергии для ускорения процесса компостирования органических отходов животноводства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 129 - 132.
Original article
Using thermal solar energy to accelerate composting of organic animal waste
Alexander N. Golovko, Anatoly M. Bondarenko
Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the Don State Agrarian University
Abstract. In the production of livestock products, by-products are also produced - animal waste, the volumes of which are commensurate with the volumes of production. Inevitably, the problem arises of processing and recycling by-products of livestock farming in order to avoid pollution of the adjacent production area of livestock complexes and environmental pollution. As a result of the analysis of the existing methods of processing solid organic waste, it was determined that composting is one of the lowest cost and effective methods. Use of this method is effective in creating certain conditions of its flow. One of the main factors of this method is the reduction of the biothermal decontamination process time. In order to solve these problems, it is necessary to consider in more detail the process of processing such waste using the example of composting, followed by decontamination and use as organic fertilizer. One of the factors affecting the acceleration of the decontamination process during composting is the activation of the temperature regime in the volume of processed solid organic waste. To speed up heating of composting products, various methods are used, many of which are economically expensive and therefore can be used for relatively large volumes of processing. Renewable sources of energy, which include thermal solar energy, are available to everyone and with any amount of processing. Analysis of existing technologies for composting solid organic waste has been carried out. Method of application of thermal solar energy for acceleration of composting of organic wastes of animal husbandry and production of concentrated organic fertilizers is considered.
Keywords: organic livestock waste, renewable energy, solar thermal energy.
For citation: Golovko A.N., Bondarenko A.M. Using thermal solar energy to accelerate composting of organic animal waste. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 129 - 132. (In Russ.).
