CC BY
229
TO QUESTION OF THE SHAPING SYSTEMS OF THE PROVISION TO CAPACITY TO WORK OF THE
FARM MACHINERY IN ACI SIBETIA
A.E. Nerncev, V.V. Korotkikh
Summary. Is it briefly described condition machine-tractor parka agricultural production at present. The formed crude structure of the system of the technical service in ACI Siberia. The offered mechanism of the shaping the system of the provision to capacity to work of the farm machinery on base of the motivation her parameter with the help of model forming: facilities, region, technical centre, specialized repair enterprise.
Key words: the technical service, system of the provision to capacity to work of the farm machinery, facilities, region, technical centre, specialized repair enterprise.
УДК 631.3.02.004.67
СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛ ЕЙ
Ф.Х. БУРУМКУЛОВ, доктор технических наук, зав. лабораторией
С.А. ВЕЛИЧКО, кандидат технических наук. 'зам. зав. лабораторией
В.А. ДЕНИСОВ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Р.И. ЗАДОРОЖНЫЙ, аспирант П. А. ИОНОВ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГОСНИТИ Тел.: (499) 1713727
Резюме. Разработаны новые электроискровые технологии нанесения функциональных покрытий на изношенные рабочие поверхности деталей, которые обеспечивают восстановление 100 %-ного ресурса. Ключевые слова, наночастица, наноструктура, электроискровая наплавка, генератор импульсов тока, наплавочный электрод, соединение, деталь, шероховатость, микротвердость, текстура и параметры структуры покрытия, интенсивность изнашивания, коэффициент трения.
Поверхностную прочность материалов можно улучшить не только совершенствованием их физико-механических свойств, но и путем нанесения защитных и упрочняющих покрытий с использованием концентрированных источников энергии.
Наибольшей концентрацией энергии к пятне нагрева обладает импульсная электрическая искра, которая используется как технологический инструмент для обработки металлов.
Модель процесса электроискровой обработки (ЭИО) материалов в газовой среде можно охарактеризовать следующим образом. При движении электрода-анода (рис. 1) к детали-катоду напряжённость электрического поля увеличивается. 11а некотором расстоянии между электродом и деталью, достаточном дня возникновения искрового электрического разряда, через возникающий капал сквозной проводимости пучок электронов фокусировано ударяется о твёрдую металлическую поверхность электрода. Энергия движения остановленных электронов выделяется
в поверхностных слоях электрода. В связи с тем, что в этот момент броском освобождается накопленная энергия системы, плотность тока значительно превосходит критические значения. В результате от электрода отделяется капля расплавленного металла массой не более одной миллионной доли грамма за цикл, которая движется к детали, опережая электрод.
В плазменном канале она успевает нагреться до высокой температуры, закипает и «взрывается». Из-за того, что цепь тока прерывается и сжимающие усилия электромагнитного поля исчезают, образовавшиеся частицы летяг широким фронтом. Так как перегретая капля и частицы находились в соприкосновении с газом, то по составу и свойствам они могут отличаться от исходного материала электрода.
Расплавленные частицы, достигнув детали, свариваются, частично внедряются в её поверхность и очень быстро охлаждаются.
При механическом контакте электрода с деталью тонкий слой поверхности последней, на котором расположены сварившиеся частицы, прогревается. При этом, помимо диффузии, под действием электрического тока перенесённых в толщу поверхности
Рис. I. Общая схема электроискрового процесса: Г. И. — генератор импульсного тока; МЭИ — мсжэлсктродный промежуток: И Р. — искровой разряд; А — анод (компактный электрод); К — катод (деталь, инструмент);/', — частота вибрации элекгрода; 5— направленно подачи детали.
Таблица 1. Энергетические характеристики некоторых термических источников энергии, применяемых для восстановления параметров изношенных деталей
Источник энергии Температура пламени, плазмы или дуги, °К Наименьшая площадь нагрева, мм2 Наибольшая плотность мощности энергии в пятне, Вт/мм2
Газовое пламя 3000...3500 1 5102
Топпиано-плазменное пламя 4000...5000 1 5 102
Дуга в парах:
щелочных металлов 4000...5000 1 1 103
железа 5000,,.6000 1 1 103
Дуга в газах:
водород, азот 5000...8000 1-Ю'1 1 1 о3
аргон, гелий 10000...20000 1-Ю'4 1-1 о3
Микроплазменная дуга 5000...6000 1-Ю"4 1 106
Электронный луч 7000...20000 1-Ю*5 1-107
Лазерный луч 7000...20000 1 10* 1 10®
Электрическая искра в газовой
среде 7000...20000 1-Ю-6 106...109
детали частиц, происходят химические реакции между ними и материалом детали.
Механический удар электродом по раскалённой массе материала проковывает полученное покрытие, зерна материала дробятся, образуя структуру с размерами зёрен от 30 до 200 нм, что значительно увеличивает его однородность и плотность.
Таким образом, имеет место два механизма образования наноструктурированного покрытия: кристаллизация капли металла из жидкого состояния и пластическая деформация остывающего материала.
Далее электрод движется вверх, а на поверхности детали остаётся прочно соединённый с ней слой материала покрытия. Затем процесс многократно повторяется.
Исследования микроструктуры и фазового состава электроискровых покрытий на стали 45 различными бронзами показали, что в широком диапазоне режимов обработки, вне зависимости от материалов электрода и детали, на поверхности последней появляется изменённый слой субмелкополикристалли-ческой структуры (рис. 2).
Верхняя (первая) зона — тонкий слой по свойствам близкий к покрытиям, образованным газотер-
• БрАЖМц 10-3-1,5
- БрАМц 9-2
БрАЖ 9-2
Рис. 2. Микроструктура образцов и:і стали 45Х после ЭИО бронзами {увеличение х 300) на установке «БИГ-2» в режиме: 1=3,8 А; =96 В; частота импульсов тока «„^250 Ги; энергия разряда единичного импульса \У= 1,66 Дж, удельное время обработки ^=3 мин/см!: / — верхняя тоня, 2 — белый слой, 3 — диффузная зона. 4 — термическая зона.
мическими методами. Под ним находится белый слой (БС), далее — диффузионная зона (серая зона), за которой следует зона термического влияния (подслой).
Диффузионную зону и зону термического влияния часто объединяют под общим названием «термодиффузионная зона» или «переходной слой», который представляет собой область диффузионного проникновения элементов материала электрода и газовой среды в материал изделия и термического воздействия искровых разрядов.
Белый слой, внешне бесструктурный, обладает высокой химической стойкостью. Он представляет собой твердые растворы карбидов, нитридов, оксидов и др., оказывающие существенное влияние на износостойкость сопряжений.
Рентгеноструктурный и рентгенофазный анализ БС (после притирки), показывает, что диаметры зёрен в нем распределяются следующим образом: размеры около 40 % зёрен составляют 20... 100 нм; около 40 % — 100...200 нм и около 20 % — более 200 нм. Средние размеры блоков зёрен материала белого слоя находятся в пределах от 10 до 60 нм,
При электрохимическом травлении реактивом с хромовым ангидридом, полированной поверхности микрошлифа покрытия, полученного при ЭИО стали 30ХГСА феррохромом, установлено, что структура БС представляет собой феррит с зёрнами, вытянутыми к поверхности, по границам которых расположены дисперсные выделения карбидов и нитридов. Размеры блоков при этом составляют 18....60 нм.
Согласно моделям скопления дислокаций Холла-Петча и деформационного упрочнения Конрада, Минкина и Петча зависимость напряжения сдвига г от диаметра зерна я'записывается в виде [1]:
г=г <1>
гдет0 - напряжение сдвига, необходимое для того, чтобы вызвать скольжение дислокаций в отсутствие сопротивления со стороны границ зёрен; Кг — величина концентрации напряжения, генерируемого у вершины полосы скольжения дислокаций.
Значение г в уравнении (1) связано с приложенным внешним напряжением а соотношением
а — те.
При условии, что каждое зерно поликристалла деформируется так же, как металл в объёме. Для структуры с ГЦК решёткой т = 3,!, с ОЦК решёткой — т = 2,9, с ГПУ решёткой — т - 3,1.
Данные, характеризующие механические свой-
ства малоуглеродистой стали с различными диаметрами зерна (табл. 2), показывают, что прочностные
Таблица 2. Механические свойства малоуглеродистой стали с различными диаметрами зерна
Размеры Механические свойства металла, МПа
зёрен, нм о-, (Те (Ту | НВ
100000 150 550 150 950
100 2500 7000 500 7500
сипности изнашивания /отхарактеристики структурного состояния поверхностного слоя /3 [4]:
1-І0~h exp 0,5/5,
где параметр /3 определяет степень фрикционного упрочнения, по которому оценивается склонность материала к задиру. Он непосредственно связан с
плотностью дислокаций п соотношением: і '
свойства белого слоя должны быть в несколько раз выше, чем у исходного материала.
Согласно результатам исследований (табл. 3), наибольшее микроискажение кристаллической решетки поверхностного слоя происходит при ЭИО. Это приводит к предельному измельчению блоков и увеличению плотности дислокаций.
Высокие остаточные напряжения растяжения, возникающие на поверхностях легированного слоя, можно снять методами поверхностно-пластической деформации (ПГТД), ультразвукового выглаживания или лазерной обработкой. В условиях ремонтного предприятия наиболее технологична ППД шариком или роликом.
Еще одно направление образования наност-руктурированных покрытий — приработка пар трения в режиме на грани заедания [ГОСТ 23.224-86] и трение в стационарном режиме, при котором происходит структурная приспосабливае-мость поверхностных слоев материалов соединений 13, 4].
Физическим содержанием приработки в этом случае считаются процессы изменения фазового и химического состава поверхностных слоев трущихся деталей, а также перестройка их макро- и микроструктуры.
На основе большого экспериментального и теоретического материала получено уравнение, отражающее функциональную зависимость интсп-
Величина параметра структурного состояния поверхностного слоя /3 в объёме материала постоянна и меняется только в тончайших слоях фрикционного контакта. Поэтому /3 характеризует градиент плотности дислокаций в материале. Чем она меньше у приповерхностных слоев, тем меньше на этапе приработки интенсивность изнашивания материала [ I ].
Для снижения /3 на наплавленный слой, образованный после ЭИО, наносят приработочные покрытия из мягких металлов и используют масла, содержащие активные, разупрочняюпше поверхность материала присадки.
В наиболее общем виде приработку' можно рассматривать как способ достижения минимального градиента плотности дислокаций и оптимальной шероховатости в сопрягаемых парах.
Оптимальная шероховатость [5]:
о
л _ тах
Д _ ------Г; (2)
г-Ь'1
где /?яш. — расстояние между наибольшим выступом и наименьшей впадиной, мкм; Ь, V — параметры кривой опорной поверхности, мкм; г — радиус закругления выступа профиля твердого материала, мкм.
Из формулы (2) следует, что для уменьшения показателя шероховатости необходимо увеличение ра-
Таблица 3. Субструктура поверхности после различных методов упрочняющей обработки, включая субструктуру БС, образованного на поверхности стали 30ХН2МФА (НВ 210) поме электроискровой обработки твёрдым сплавом Т15К6 на установке ЭФИ-46 при токе 1,5...2 Л, энергии импульсного тока 0,3...0,4 Дж и частоте 50 ГЦ [2],
Размер блоков, нм Микро-искажение, x1(f Плотность дислокаций, х10~11, см'2 Количество Остаточные напряжения, МПа Относительные
Упрочняющая обработка остаточного аустени-та, % износ ударная долговечность
Шлифование* 19 19,7 26,0 2,5 390 1,0 1,0
Лазерная обработка Ультразвуковое выгла- 208 4,7 15,5 _ -336 1,23 0,75
живание 62 10,0 2,1 - -625 0,8 1,78
Дробеструйная обработка Электроискровое леги- 31 15,7 8,1 - -632 1,24 2,5
рование Электроискровое легирование и лазерная об- 17 12,0 35,6 19 643 0,17 0,96
работка Электроискровое легирование и ультразвуко- 44 4,1 20,0 3 -193 0,15 1,1
вое выглаживание 27 12,0 14,8 0,5 -793 0,094 1,18
* Примечание. Относительный износ и относительная ударная долговечность образцов после различных видов обработки оцени ваш по отношению к износу и долговечности образцов после шлифования.
3,00Е-в9^
O.OOE+flO
Рис. 3. Интенсивности изнашивания этатонной и восстановленной ЭИО пар трения: 1 — сталь 40Х — чугун СЧ45 (эталон); 2 — сталь 40Х + БрАЖМц 10-3-1,5 — чугун СЧ45 + ірафит; 3 — сталь 40Х + БрАМц 9-2 — чугун СЧ45 + графит; 4 — сталь 40Х + Г>рЛЖ 9-4 — чугун СЧ45 + графит; 5 — сталь 40Х — чугун СЧ45 + графит; и — 1п. □ — ін, а — Ісумм.
диуса кривизны вершин микронеровностей, что в наибольшей степени достигается при электроискровой обработке.
Опыт разработки технологий ремонта агрегатов с восстановлением изношенных деталей методом ЭИО показал |6], что для электроискровых покрытий с приработочным покрытием плотность дислокаций не должна превышать 35,6х 10" 1/см2. Тогда/? = 1,334, следовательно, 1= 1,95 X1 О*12.
Электроискровой обработкой материалов в газовой среде можно получать как тонкие керамические покрытия, так и толстые металлические слои. Кроме того, этот способ позволяет регулировать пористость покрытий благодаря выбору материала электрода и условий процесса.
После нанесения покрытия методом ЭИО деформация подложки даже толщиной 0,3 мм, в отличие от электрояуговой наплавки, незначительна, трещины отсутствуют.
Электроискровая наплавка (процесс плавления и сцепления материалов электрода и подложки) сопровождаются повторяющимися, крошечными импульсными электрическими разрядами диаметром
на уровне одного микрона, при этом деформация основы ограничена и лежит в узком интервале. В процессе эксплуатации отсутствует отслоение нанесённого покрытия. Для его нанесения не требуется предварительная чистовая обработка.
Мы провели 100 часовые стационарные испытания по определению интенсивности изнашивания эталонной и восстановительной ЭИО пар трения (рис. 3).
Интенсивность суммарного изнашивания поверхностей, образованных ЭИО (столбец 3), в 6-22 раза ниже, чем у эталонного соединения. При этом интенсивность изнашивания подвижных (столбец 1) и неподвижных (столбец 2) образцов уменьшилась, соответственно, в 1,73-8,83 и 2,69-19,72 раза.
Опыт ремонта агрегатов с восстановлением деталей наноструктурированными покрытиями показал, что для образования электроискрового покрытия на площади в 1 см2 толщиной 0,3 мм требуется в 10-100 раз меньше энергии, чем при традиционных сварочных процесах.
Таким образом, технология получения электроискровых покрытий (ЭИП) — многоцелевая и открывает новые области применения защитных и восстановительных покрытий. Сегодня нанострук-турированные покрытия, образуемые при ЭИО, используются в новых защищённых патентами РФ технологиях ремонта гидрораспределителей типа Р-75/85/, Р-100/150, Р-200 и Р-12П, турбокомпрессоров типа ТКР-7,5/8,5/1 1, гидростатических трансмиссий ГСТ-90 и ГСТ-112, рулевых механизмов тракторов МТЗ. Они обеспечивают восстановление 100 %-ного ресурса после ремонта и внедряются в производство ПОД «ключ».
Литература.
I. Бурумкулов Ф.Х., Окин М.А., Иванов В.И. Влияние физики — механических свойств и остаточных напряжений электроискровых покрытий на износостойкость соединений./ Ремонт, восстановление, модернизация. — №2. — 2009. — С. 17-23.
3. Лукиче'в Б. И., Белобрагин Ю.А., Усов С. В. и др. Повышение эффективности поверхностного упрочнения при электроискровом легировании деталей машин// Электронная обработка материалов. — 1987. —М4.
3. П.азаров А.Н. Исследование структурных изменений и износостойкость металлов е, различных смазочных средах: Автореф. дисс. канд. техн. наук,- Ростов-на — Дону, 1978.- 22 с.
4. Бурумкулов Ф.Х., Лельчук Л.М., Пушкин И.А., Фролов С.Я. Микрогеометрин и несущая способность поверхности, образованной электроискровой наплавкой. // Технология машиностроения. — 2001. — №4. — С. 29-34.
5. Электроискровые технологии восстановления и упрочнения деталей машин и инструментов (теория и практика) // Бурумкулов Ф.Х., Лезин П.П., С.енин П.В., Иванов В.И., Величко С.А., Ионов П.А — Саранск: тип. "Красный Октябрь" — 2003. — 504с.
MODERN ELECTROSPARK TECHNOLOGIES OF DETAIL RECOVERY
F.Kh, Burumkulov, S.A. Velichko, V,A. Denisov, R.N. Zadorozhhyj, P.A. Ionov
Summary. New electrospark technologies (EST) of coating of functional covers on the overworn work surface of details, which ensure the recovery of 100% resource, are developed.
Key words: nanoparticle, nanostructure, electrospark surfacing, current pulse generator, surfacing electrode, connection, detail, roughness, microhardness, texture and cover structure parameters, wear intensity and friction coeffcient.
