CC BY
54
УДК 631.173
В.И. Черноиванов, академик В.П. Лялякин, доктор технич еских наук Н.Н. Литовченко, кандидат технич еских наук
гну госнити
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНО-УПРОЧНЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ - ОСНОВА
ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Задача разработки оборудования и технологий восстановления и упрочнения деталей с повышенным ресурсом может быть решена совершенствованием одного из самых прогрессивных методов восстановления деталей - электродуговой металлизации (ЭДМ). Одновременно с решением металлургических и технологических проблем в статье предложены пути конструктивного совершенствования металлизационного аппарата и разработка методов упрочнения, прежде всего, для деталей, работающих в условиях абразивного износа и больших нагрузок, то есть, в первую очередь, для рабочих деталей почвообрабатывающей техники.
В настоящее время в России и других промышленно развитых странах потребление природных ресурсов и использование техники достигли огромного масштаба.
Естественно, в таких условиях ресурсосберегающие технологии становятся объектом особого внимания и заинтересованности производителей техники и в сфере ее использования. Ситуация значительно усугубляется из-за роста дефицита и стоимости запасных астей вследствие отставания их выпуска от потребности, а также их ресурса, который в большинстве слу аев возможно существенно повысить восстановительно-
упро няющими методами.
Для достижения существенного роста объемов восстановления деталей необходимо оснащение ремонтных предприятий, в первую о ередь, первого, второго и третьего уровня специализации -современными, высокоэффективными методами и технологиями, оборудованием восстановления и упро нения с целью реального увели ения их ресурса по износостойкости в 1,5... 2,0 выше новых.
Только в этом случ ае можно поднять экономи еский интерес у предприятий втори ного производства (восстановления и упро нения деталей), а также у потребителей их продукции.
Поэтому ГОСНИТИ считает одной из приоритетных зада в своих исследованиях -разработку оборудования и технологий восстановления и упро нения деталей с повышенным ресурсом.
В течение последних 27 лет НИИ «РЕМДЕТАЛЬ» и ГОСНИТИ уделяли серьезное внимание совершенствованию одного из самых прогрессивных методов восстановления деталей -электродуговой металлизации (ЭДМ).
ЭДМ, являясь универсальным методом металлопокрытий, имеет широкую область применения;
- для восстановления стальных, угунных и из цветных металлов деталей цилиндри еской и плоской формы, работающих в условиях трения скольжения и смазки и неподвижных посадок;
- для устранения дефектов стального и угунного литья;
- для повышения жаростойкости стали алитированием (покрытие алюминием, его диффузия в поверхностные слои стального изделия);
- для нанесения антифрикционных покрытий при изготовлении подшипников скольжения;
- для нанесения псевдосплавов: алюминий-железо (АЖ-50), медь-железо (МЖ-50) и др.;
- для долговременной антикоррозионной защиты алюминием и цинком металлоконструкций с гарантией 20-25 лет в условиях атмосферы;
- для защитно-декоративных целей с покрытием медью, бронзой, латунью, алюминием.
Габариты деталей не лимитируют применение
ЭМ.
Большие положительные качества ЭДМ (технологи ность, простота, высокая
производительность и износостойкость покрытий, отсутствие термоповодок, низкая стоимость и универсальность, стабильность усталостной
про ности восстанавливаемых деталей) не могли быть не заме ены у еными и производственниками. ЭДМ, как любой метод металлопокрытий, имел недостатки, поэтому перед институтом стояла зада а устранить недостатки ЭМ с целью широкой реализации ее применения.
Основным недостатком всегда считалась низкая адгезионно-когезионная про ность покрытия. Микроструктурный анализ позволил установить, что покрытия, полу енные с применением проволок, содержащих высокий процент (от 0,8 до 2,3 %) кремния и марганца, имеют наиболее пористую структуру за с ет шлаков, не растворимых в железе, и, соответственно, наименьшие про ностные свойства по сравнению с покрытиями из материала проволок с меньшим содержанием раскислителей.
Из этого следует стратегический вывод: необходимо применять для ЭМ проволоки с как можно меньшим содержанием марганца и кремния. Только такой подход позволил избавить ЭМ от отслоений и выкрашиваний при больших удельных нагрузках, испытываемой поверхностью деталей при работе.
Вторым фактором, ограничивающим
применение ЭМ, являлась невысокая по сравнению с наплавкой твердость покрытия. Из-за этого такие детали, как тормозные барабаны, колен атые валы и ряд других деталей оставались долгое время за пределами возможности восстановления ЭМ.
При этом процесс ЭМ оставался трудоемким из-за двухоперационности нанесения покрытия: подслой - слой.
Таким образом, установив основные недостатки ЭМ, предстоял длительный период их устранения. Длительный потому, что одновременно с металлурги ескими и технологи ескими проблемами решались зада и по конструктивному совершенствованию металлизационного аппарата.
Из анализа проблем прочностных и износостойких свойств покрытий, о евидно, следовал вывод, то необходимо создание нового присадо ного материала для ЭМ. Такой материал - порошковая проволока ПП-ММ2, ПП-ММ63, ПП-ММ65, ПП-ТП-
1, была разработана по нашему техни ескому заданию Мариупольским металлургическим
институтом под руководством д.т.н. В.А. Роянова и д.т.н. В.Я. Зусина. Содержание феррохрома -16.19% и алюминия 14.17% в порошковой проволоке обеспечивали высокую адгезионнокогезионную проч ность (на отрыв до 50.60 и до 125 МПа на срез) и твердость 50.58 ИЯС. Для сравнения адгезия покрытия из проволоки Ст.30 составляет 18.22 МПа.
Выполненные в Мариупольском
металлурги еском институте сравнительные испытания покрытий на абразивную стойкость по методике Бринелля-Хаворта показали, что износостойкость покрытия из порошковой проволоки ПП-ММ65 в 3,84, ПП-ММ63 в 5,46 раза выше, ч ем эталона - покрытия из цельнотянутой проволоки марки Св06Х19Н9Т и превышает износостойкость покрытия из цельнотянутой проволоки марки Св07Х25Н13 в 2,9 раза. Знач ение средних скоростей износа при трении пары покрытий из проволоки ПП-ММ65 составляет 0,026.0,028 мм/час, образцов из Ст. 30 при тех же условиях испытания составила 1,65 мм/ч ас.
Таким образом, такая порошковая проволока сразу сняла все основные недостатки ЭМ, что дало возможность зна ительно упростить технологию, отказавшись от нанесения подслоя, и расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей. В настоящее время стало возможным широко внедрять восстановление тормозных барабанов, тормозных дисков и коленчатых валов, обеспечивая ресурс не ниже новых.
При всех преимуществах порошковой проволоки она имеет не менее существенный недостаток - высокую цену. В настоящее время ее цена составляет около 150 тыс. рублей за тонну. Поэтому разработан альтернативный вариант порошковой проволоке - комбинацию из двух цельнотянутых (углеродистой и хром никелевой) проволок. Сравнительные испытания на адгезионнокогезионную про ность и износостойкость покрытий показали сопоставимость результатов. Преимущества: стоимость цельнотянутых проволок по сравнению с ПП-ММ2 в 2,5.4 раза ниже, стабильность горения дуги выше.
Совершенствование ЭДМ идет в ГОСНИТИ и в направлении разработки новых моделей металлизаторов со сверхзвуковым истечением гетерофазного потока, обеспе ивающего повышение адгезионно-когезионной проч ности в 1,5 раза и
других физико-механических свойств ЭМ-покрытий, а также повысить коэффициент использования присадочного материала на 20%. В связи с повышением прочностных свойств ЭМ-покрытий стало возможным расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей, например представилась возможность металлизировать коленч атые валы тяжелых двигателей, таких как КамАЗ-740 и тракторной техники, тормозные диски и диски сцепления, опоры коренных подшипников блоков цилиндров дизелей и другие.
Первой моделью нового сверхзвукового металлизатора стал ЭДМ-9ШД (рис. 1). Его
особенности: универсальность (ручной, станочный), шаговый электродвигатель мощностью 40 Вт, автоматика пуска (пода а воздуха и электроэнергии), масса 2,6 кг, регулировка скорости пода и проволоки плавная от 0,8 до 14,6 м/мин, производительность до 10 кг/час. В настоящее время готовится рабочая конструкторская документация на производство о ередной новой модели сверхзвукового трехэлектродного металлизатора ЭДМ-3ЭЛ, поднимающего метод ЭДМ на новый уровень полу ения высокока ественных металлопокрытий для восстановления деталей и долговременной антикоррозионной защиты металлоконструкций алюминием и цинком.
ЭДМ -3ЭЛ защищен патентом № 2254933 от 12.08.2005 г.
Рисунок 1 - ЭДМ-9ШД
Преимущества ЭДМ-3ЭЛ: принцип действия исключ ает все недостатки классической схемы двухэлектродных металлизаторов, от которых практич ески избавиться невозможно; позволяет получ ение комбинированных покрытий, используя проволоки разных сортов, химических составов и диаметров; может работать с одной проволокой или продолжать работать в слу ае прекращения пода и второй; существенно расширяется диапазон по диаметру проволок от 1,G до 3,G мм.
Эти преимущества ЭДМ-3ЭЛ позволят существенно расширить сферу использования электродуговой металлизации в различных областях промышленности.
Экономическая эффективность ЭДМ обеспе ивается ощутимой разностью стоимости новых деталей и затрат на восстановление. Восстановление составляет 10.50% от стоимости новых деталей.
Изготовить детали машин - полдела. Вторая асть - ее упро нение, то есть придание ей ка еств, обеспе ивающих работоспособность и требуемый ресурс. В идеале ресурс детали должен быть равным ресурсу машины в целом. К сожалению, это условие в основном не выполняется потому, то упро нению уделялось и уделяется в настоящее время недостато ное внимание, хотя, казалось бы, создано и применяется много разли ных методов упро нения. Но они или сложны, трудоемки и дорогостоящие или малоэффективны.
Перед специалистами ГОСНИТИ была поставлена зада а разработать метод упро нения, прежде всего, для деталей, работающих в условиях абразивного износа и больших нагрузок, то есть, в первую о ередь, для рабо их деталей по вообрабатывающей техники.
Заводы-изготовители поч вообрабатывающей
техники не обеспе ивают требуемую износостойкость деталей, вследствие его в эксплуатации потребитель сталкивается с необходимостью астых зато ек лезвийных поверхностей, то вызывает естественно вынужденные простои техники, а также зна ительное снижение долгове ности деталей и связанные с этим ощутимые экономи еские потери.
Поэтому проблема повышения ресурса рабо их органов по вообрабатывающей техники стоит в сельскохозяйственном производстве особо остро.
Ни один из применяющихся в настоящее время в России методов упрочнения не решает эту проблему. Конкретно она состоит в создании метода упро нения, обеспе ивающего ресурс рабо их органов, соизмеримый с ресурсом техники в целом, а также в способности к импортозаменяемости.
Для реализации зада и необходимо, тобы метод упрочнения отвеч ал критерию (Кт) относительного зна ения микротвердостей упроч ненной поверхности детали (Н) и абразива (На) Кт=Н/На
То есть способность абразивных ч астиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении приближенно должна оцениваться по этому соотношению показателей микротвердостей взаимодействующих деталей и среды.
Отеч ественный уч еный М.М. Тененбаум опытным путем установил, что критерий Кт должен быть в пределах 0,5.0,7. В этом случ ае ресурс рабо их органов будет приближен к ресурсу техники в целом.
В ГОСНИТИ выработана стратегия решения этой проблемы, заклю ающаяся в следующем:
Первое. Ставка сделана на разработку метода восстановления и упро нения металлокерами ескими покрытиями (МКП).
Второе. Метод прост, дешев, технологичен, не требующий сложного дорогостоящего оборудования.
Третье. Области применения -
машиностроительные предприятия
сельскохозяйственного знач ения, МТС, РТП, фермерские хозяйства в стационарных и нестационарных условиях.
Базой для реализации этого плана является созданный в лаборатории №10 ГОСНИТИ скоростной электродуговой термодиффузионный метод и оборудование скоростного электродугового упро нения, позволяющего полу ить в упро ненном поверхностном слое сложнофазную структуру, содержащую кроме термодиффузионных элементов (углерода, бора и др.), но и металлокерами еские образования. Происходящее в ходе упро нения проплавление поверхностного слоя детали на глубину не менее 2 мм является необходимым для такого процесса условием, так как для МКП требуется стальная матрица.
Научный результат, выполненный в ГОСНИТИ работы по электродуговому упро нению, оказался резвы айно обнадеживающим. Дело в том, то пасты, содержащие алюминий, буру или карбид бора обеспе ивают высокую микротвердость - от 1114 до 1225 кгс/мм2 (примерно 98 ИЯС). Какая же фаза может обеспеч ить такую высокую твердость?
Структурный анализ показал, что ею является интерметаллид - железная шпинель Ре*А1203, карбид бора и тригональная кристалли еская система расплавленного А1203 (корунд), имеющая
исклю ительно высокую твердость.
Учитывая, что при электродуговом упрочнении имеет место проплавление поверхностного слоя, можно сделать о ень важный вывод, то образуется металлокерами еская структура, имеющая не только высокую твердость, но и такую же несущую про ность благодаря стальной матрице,
удерживающей керами еский компонент.
Практически благодаря выполненной науч но-экспериментальной работе мы оказались близки к нижнему пределу критерия упроч нения Кт. Он достиг зна ения 0,3. такой результат традиционными упро няющими технологиями не полу ишь.
Для выполнения скоростного электродугового упроч нения в ГОСНИТИ создан аппарат ЭДУ-2, рисунок 2.
Традиционные термодиффузионные способы упро нения насыщением стали углеродом, азотом, бором, хромом и другими элементами используются в стационарных условиях. Известно, что эти технологии энергоемкие и трудоемкие. Глубина упро нения недостато на для по вообрабатывающей техники, а для крупногабаритных деталей практи ески промышленные методы упро нения непригодны.
В ГОСНИТИ разработан термодиффузионный метод упрочнения стали с использованием дугового разряда, в режимах прямой, косвенной дуги и короткого замыкания с использованием графитовых электродов диаметром 6.10 мм. Это более рациональный, несложный, комплексный метод упрочнения и более дешевый - в три-ч етыре раза ниже стоимости применяемых способов.
Разработана технология и мобильное оборудование для скоростного электродугового упрочнения, предназначенного для использования, как в стационарных, так и в полевых условиях.
Термодиффузионное упрочнение стали с использованием дугового разряда (ЭДУ) является одним из самых интересных и перспективных направлений изучения.
Поверхностное термодиффузионное
упрочнение с использованием дугового разряда привлекает большей простотой аппаратурного исполнения по сравнению с хорошо известными высококонцентрированными источниками энергии (ВИЭ). Процессы, происходящие при воздействии дугового разряда на металл, во многом аналогичны процессам при обработке другими ВИЭ, что касается теплообмена и фазово-структурных превращений.
Аппарат ЭДУ-2 предназначен для ускоренной цементации с твердостью до 60.65 НЯС быстроизнашивающихся деталей, работающих в условиях абразивного износа и высоких нагрузок техники почвообрабатывающей, перерабатывающей, добывающей, строительной и других отраслей промышленности в полевых и стационарных условиях. При
боронитроцементации твердость достигает 75.78 НЯС.
Способ электродугового упрочнения (ЭДУ) основан на насыщении поверхности детали углеродом в процессе дугового разряда между угольными электродом (косвенная дуга), расположенными в непосредственной близости 3-8 мм от детали или между угольным электродом и деталью (прямая дуга). Другой способ упрочнения - в режиме короткого замыкания, то есть при непосредственном контакте электрода с поверхностью детали и постоянным его перемещении. После науглероживания выполняется закалка и низкотемпературный отпуск (1800С). ЭДУ может осуществлять также с помощью паст, что дает возможность получить борирование,
нитроцементацию, сульфоционирование нанесение металлокерамических покрытий, а также одновременное упрочнение наплавляемых покрытий.
Во всех случаях идет процесс локального нагрева детали и угольного электрода. Последний испаряется с образованием ионов углерода, которые легко диффундируют в нагретый металл.
Благодаря быстротекучести процесса способ ЭДУ назван электродуговой скоростной цементацией.
Аппарат ЭДУ-2 предназначен для цементации, борирования, нитроцементации деталей
почвообрабатывающей техники, перерабатывающей, добывающей, строительной и других отраслей промышленности. Возможные области применения скоростного электродугового упрочнения:
почвообрабатывающая техника (плуги, культиваторы, дисковые бороны и др.); льноперерабатывающее оборудование; бильные планки;
мясоперерабатывающее оборудование,
свеклорежущие ножи сахарных заводов;
строительные мелиоративные и машины по внесению удобрений; горнодобывающая буровая и дорожностроительная техника; метало - и
деревообрабатывающий инструмент.
/
Рисунок 2 - Аппарат ЭДУ-2
Разработанные технологии и оборудование для скоростного электродугового упрочнения, предназна ены для использования как в
стационарных, так и в полевых условиях.
Выводы
1. Усовершенствован электродуговой
металлизатор ЭДМ-3ЭЛ: принцип действия
исклю ает все недостатки класси еской схемы двухэлектродных металлизаторов, от которых практически избавиться невозможно; позволяет
полу ение комбинированных покрытий, используя проволоки разных сортов, химических составов и диаметров; может работать с одной проволокой или продолжать работать в слу ае прекращения пода и второй; существенно расширяется диапазон по диаметру проволок от 1,0 до 3,0 мм.
2. Преимущества Э ДМ-3 ЭЛ позволяют существенно расширить сферу использования электродуговой металлизации в различных областях промышленности.
3. Разработан более рациональный, несложный, комплексный метод упрочнения и более дешевый термодиффузионный метод упрочнения стали с использованием дугового разряда, в режимах прямой, косвенной дуги и короткого замыкания с использованием графитовых электродов диаметром 6.10 мм.
4. Созданный скоростной электродуговой термодиффузионный метод и оборудование скоростного электродугового упрочнения, позволяет полу ить в упро ненном поверхностном слое сложнофазную структуру, содержащую кроме термодиффузионных элементов (углерода, бора и др.), но и металлокерамические образования.
