CC BY
31Воронкова М.Н., канд. техн. наук, доцент,
ЗозулеваЛ.А., доцент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Кузько Н.В., преподаватель Белгородский индустриальный колледж
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ И ЕГО ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Разработан и экспериментально подтвержден технологический процесс получения равно-толщинного износостойкого покрытия, исключающий перегрев и отслоение покрытия, как для новых, так и для бывших в эксплуатации шнеков. С целью снижения трудоемкости при механической обработке предложено производить напыление многослойного покрытия с чередованием хрупких и вязких износостойких слоев. В результате исследований установлено, что предложенное покрытие композиционного типа из порошковой смеси с карбидом вольфрама и самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и, наносимое плазменным напылением, имеет износостойкость выше и способно повысить ресурс работы шнеков в 1,56-1,87 раза по сравнению с покрытиями, выполненными наплавкой.
В процессе эксплуатации узлы и детали оборудования промышленности строительных материалов (ПСМ) подвергаются абразивному изнашиванию. Одной из многочисленных групп оборудования ПСМ составляет оборудование для транспортирования цемента и формовочных смесей: пневматические винтовые насосы (ПВН), винтовые конвейеры, брикет-прессы. Как показал статистический анализ, износ деталей данной группы о б орудов ания колеблется от 0,1 мм до 5 мм.
Проблема увеличения долговечности оборудования ПСМ может быть решена только на основе создания и освоения современных технологических процессов упрочнения поверхности методами нанесения покрытий при ремонте и восстановлении деталей, повышении технического уровня эксплуатации.
Для решения вопросов придания поверхности повышенной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, упрочнения деталей, не допускающие термичес-
ких деформаций и структурных изменений основного металла, упрочнение значительных по площади поверхностей могут быть применены методы покрытий.
Анализ методов нанесения покрытий позволил сделать вывод о том, что наиболее перспективным является применение р азличных покрытий, наносимых плазменным напылением.
Применение процесса бездеформационного плазменного напыления может быть показано на примере износостойких покрытий шнеков винтовых конвейеров, широко применяемых в промышленности строительных материалов.
При выборе материала износостойкого покрытия, как правило, не удается оценить его одним испытанием на износостойкость. Конструктивные особенности шнеков и условия их эксплуатации выдвигают следующие требования, предъявляемые к материалу и покрытию: - износостойкость;
2008, № 4
Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова
- пористость покрытия;
- плотность покрытия;
- прочность сцепления с основным материалом.
Для упрочнения и восстановления шнеков предприятия-изготовители оборудования ПСМ (Гомельский завод «Стройавтолиния», Могилевский завод «Стройма-шина», Красногорский завод цементного машиностроения) рекомендуют применять ручную дуговую наплавку электродами марки Т-590 (ГОСТ 10051-75) или меха-низир ов анную наплавку пор ошковой пр ов олокой ПП-Нп-200Х15С1ГРТ (ГОСТ 26101-84).
В проведенной работе в качестве материалов для плазменного покрытия были выбраны серийные порошки марок ПС-12НВК-01 (ТУ 48-19-383 - 84), ВСНГН-35 (ТУ 48-19-214-76). Сплав ПС-12НВК-01 представляет собой порошковую механическую смесь, состоящую из 65% (по массе) порошкового сплава ПГ-12Н-01 и 35% карбида вольфрама. Сплав ВСНГН-35 представляет собой порошковую смесь никелевого самофлюсующегося сплава (65%) и карбида вольфрама (35%), плакированного никелевым сплавом СНГН. Напыленные слои характеризуются хорошими антифрикционными свойствами, обладают хорошей износоустойчивостью при абразивном износе.
Однако различный удельный вес входящих в порошковую смесь компонентов не гарантирует их равномерного распределения в покрытии, что снижает эксплуатационные характеристики покрытия в целом и ограничивает ресурс его работы.
Учитывая рассмотренные выше недостатки и с целью их преодоления, было предложено производить напыление многослойного покрытия. В результате покрытие имеет два слоя:
первый - слой порошковой смеси с 35% карбида вольфрама;
второй - слой ПН-12Н-01.
Для получения покрытия стойкого к абразивному износу наносился слой из порошковой смеси с 35% карбида вольфрама. Покрытие имеет хорошую износостойкость, плотность, прочность сцепления с основой и высокую твердость ИЯЛ 85 - 90. Однако, покрытие подвержено разрушению при ударных нагрузках.
Для получения покрытия, устойчивого к воздействию ударных нагрузок и облегчения последующей механической обработки, напыляли слой из порошка самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01. Покрытие из данного порошка характеризуется высокими антифрикционными свойствами, устойчиво против коррозии при нормальных и повышенных температурах (до 7000 С), имеет высокое сопротивление ударам. Твердость напыленного слоя ИЯЛ 68-73.
Следует отметить, что возможно применение как сплава ПС-12НВК-01, так и сплава ВСНГН-35. Однако необходимо учитывать, что в процессе напыления порошковой смеси ПС-12НВК-01 происходит сублимация карбида вольфрама, за счет чего происходит снижение свойств покрытия.
Необходимые свойства покрытия достигаются операцией оплавления (нагрев до 10400С с последующим охлаждением). В результате данной операции происходит смешивание напыленных слоев, образуется покрытие композиционного типа, которое обладает хорошей износостойкостью, плотностью, прочностью сцепления с основой, имеет высокую твердость и сопротивление ударам.
Для исследования износостойкости покрытий был использован весовой метод оценки относительного износа [1]. Анализ результатов исследов аний показыв ает, что все покрытия защищают поверхность детали от износа. Однако, защитные способности у всех покрытий разные (рис. 1).
материал покрытия
Рис. 1. Относительная износостойкость покрытий: 1 - порошковая проволока ПП-Пн-200Х15С1ГРТ;
2 - электроды Т-590; 3 - покрытие из сплава ПС-12НВК-01;
4 - покрытие из сплава ВСНГН-35
Как видно из приведенных данных наибольшую износостойкость имеет покрытие из сплава ВСНГН-35.
Дальнейшие экспериментальные исследования проводились только для покрытий из сплава ВСНГН-35, как наиболее износостойкого. Пористость покрытия определялась методом гидростатического взвешивания. Результаты исследований показали отсутствие пористости в покрытии или очень низкую ее величину. Плотность покрытия составляет 8,3-8,9 г/см3, что согласуется с результатами исследований, приведенных в работах [1, 2].
Прочность сцепления покрытия с материалом основы имеет высокий показатель и составляет 270-320 МПа.
Отрицательное влияние покрытия на физико-механические свойства основного металла обуславливается толщиной покрытия. Тонкое покрытие не ухудшает свойства основного металла шнека, чем и объясняется выб-р анная толщина покрытия 0,3-0,35 мм.
Результаты лабораторных испытаний показывают, что выбранное многослойное покрытие из сплава ВСНГН-35 и ПГ-12Н-01 удовлетворяет предъявляемым требованиям, что позволило перейти к натурным испытаниям на шнековых валах винтовыхконвейеров на ОАО «Стройматериалы», г. Белгород.
В результате испытаний наработка шнека с плазменным покрытием из самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и ВСНГН-35 составила 262 ч. Наработка шнеков с
наплавкой электродами Т-590-168 ч, с наплавкой проволокой ПП-Нп-200Х15С1ГРТ - 140 ч.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований показывают, что выбранный материал покрытия соответствует предъявляемым требованиям и способен увеличить ресурс работы шнеков в 1,56-1,87 раза.
Это положение проверялось при опытно-промышленных испытаниях. Процесс нанесения износостойкого многослойного покрытия из самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и порошковой смеси с карбидом вольфрама на гребень витка шнека включает в себя следующие основные операции: промывку и обезжиривание шнека; дефектацию детали; предварительную механическую обработку восстанавливаемой поверхности шнека; предварительную подготовку восстанавливаемой поверхности шнека к напылению; напыление материала покрытия; термическую обработку покрытия (оплавление); механическую обработку покрытия; контроль качества. Эта технология в принципе не отличается от общепринятой [3, 4], поэтому в разрабатываемом технологическом процессе напыления износостойкого покрытия должны решаться задачи:
- подготовка поверхности детали для упрочнения;
- обеспечение геометрии поверхности;
- минимальные термические деформации в процессе восстановления;
- равномерность напыленного слоя;
- плотность напыленного слоя.
Промывка и обезжиривание напыляемых поверхностей шнека предназначена для удаления с поверхности шнека жировых пленок и загрязнений, для чего применялись синтетические моющие средства или растворители. Сушку деталей после промывки проводили в сушильном шкафу при температуре 60... 1900С или обдувкой сжатым воздухом по ГОСТ 9.010-80.
Дефектация деталей - оценка степени износа поверхности в пределах допустимых размеров.
Неравномерность износа (конусность, эллипсность и т.п.) устранялась предварительной механической обработкой.
Абразивно-струйная обработка производилась непосредственно перед напылением, путем обдува поверхности металлической дробью иди электрокорундом. Перерыв между абразивно-струйной обработкой и нанесением покрытия не превышал 2 часа.
Напыление покрытия. При напылении самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и порошковой смеси с карбидом вольфрама происходит локальное или полное отслоение покрытия. Поэтому тепловое влияние потока сводилось к минимуму путем ограничения содержания азота в плазмообразующем газе до 25%, в связи с чем делалась короче термически активная часть плазменной струи. Это также предотвращало окисление поверхности, связанное с ее перегревом выше 200-2500 С.
Равномерность покрытия на поверхности шнека обеспечивалась по схеме напыления на винтовую поверх-
ность. При напылении плазмотроном ПП-25 скорость перемещения плазмотрона составляет 0,6 м/мин, скорость вращения детали 1,95 об/мин, шаг - 10 мм.
Напыленное покрытие является достаточно пористым. Его усадка при оплавлении составляет около 20%. Это необходимо учитывать и напылять слой 0,36 мм при толщине покрытия (после оплавления) 0,3 мм.
Термическая обработка покрытия (оплавление) проводилась для снижения пористости и увеличения прочности сцепления покрытия с основой. Развитие процессов диффузии приводит к уменьшению пор и объемному взаимодействию на границе раздела основа-покрытие, возникновению диффузионной прослойки, обеспечивающей возрастание прочности сцепления.
Температура оплавления зависит от температуры флюсования сплава ПГ-12Н-01 и определяется экспериментально для каждой партии порошка в отдельности. Ориентировочный режим оплавления в печи для ПГ-12Н-01 следующий: равномерный нагрев до 10500 С, время выдержки 7-15 мин, охлаждение. Чтобы исключить образование трещин в покрытии следует охлаждать деталь в термостате, песке, золе и т.д.
Для предотвращения деформации шнека в процессе оплавления его располагали в печи в вертикальном положении.
Механическая обработка покрытия производилась с целью придания шнеку заданных геометрических размеров в соответствии с требования чертежа. Наиболее распространенный метод механической обработки плазменных покрытия -шлифование. Обработку оплавленных покрытий, имеющих высокую твердость и микротвердость следует производить алмазными кругами. Обработка другим абразивным инструментом нежелательна из-за малой производительности (частая правка круга и непроизводительные режимы) и высокой шероховатости.
Для интенсификации процесса обработки в зону резания вводили дополнительную энергию электрического тока в форме электрических импульсов высокой частоты (алмазно-искровое шлифование). Процесс осуществлялся электропроводными алмазными кругами при электрической изоляции круга и детали. В зону обработки подавали СОЖ - диэлектрик или электролит слабой концентр ации. При такой схеме обраб отки между связкой круга и шнеком в озникают электрические искровые разряды, оказывающие эрозионное воздействие на обрабатываемую поверхность шнека и на рабочую поверхность круга. Это действие на поверхность шнека определяет некоторую долю эрозионного съема припуска, а также способствует изменению физико-механических свойств напыленного слоя в зоне обработке, что облегчает его механическое резание зернами круга. Воздействие электрических разрядов на круг способствует удалению пр одуктов з асалив ания с его рабочей поверхности и эрозионному разрушению микровыступов связки. При этом поддерживается постоянная высокая режущая способность круга, а также устраняется трение об обрабатываемую поверхность.
2008, № 4
Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова
Контроль качества производили для выявления внешних дефектов (сколов, вздутий, трещин, отслоений) внешним осмотром и на соответствие геометрических размеров шнека с покрытием требованиям чертежа. Толщину покрытия замеряли с помощью штангенциркуля, микрометра или магнитного толщиномера. Контроль служебных характеристик проводили при необходимости по стандартным методикам в соответствии с ГОСТами.
Проведенные опытно-промышленные испытания трех шнеков, напыленных по принятой выше методике подтвердили сделанный ранее вывод.
Разработанная технология восстановления шнеков была внедрена на предприятии ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород) с напылением износостойкого многослойного покрытия из самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и порошковой смеси с 35% карбида вольфрама на шнеки винтовых конвейеров, бывших в эксплуатации.
К восстановлению рекомендовано допускають шнеки, имеющие величину износа не более 2,5 мм, что определяется допустимой геометрией шнека и возможностью получения максимальной толщины покрытия при напылении 2,5 мм.
В этом случае покрытие имеет равномерную толщину и прочно соединено с основой по всей поверхности шнека.
Кроме восстановления изношенных шнеков со стороны предприятий ставилась задача по нанесению упрочняющего покрытия на новые шнеки. Технология нанесения упрочняющего покрытия на поверхность нового шнека не отличается от технологии восстановления шнека. В этой связи, на базе технологии восстановления
изношенных шнеков был разработан «Технологический процесс нанесения упрочняющего многослойного покрытия из самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01 и порошковой смеси с 35% карбида вольфрама на шнеки винтовых конвейеров».
Выводы
1. В результате проведенных исследования установлено, что предложенное покрытие композиционного типа из порошковой смеси с карбидом вольфрама и самофлюсующегося сплава ПГ-12Н-01, наносимое плазменным напылением, способно увеличить ресурс работы шнеков винтовых конвейеров в среднем в 1,5 -1,9 раза, по сравнению с покрытиями, выполненными дуговой наплавкой.
2. На базе проведенных исследований разработан способ нанесения износостойкого плазменного покрытия на гребень витка винтового конвейера, которая была внедрена на предприятии ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Газотермические покрытия из порошковых материалов: справочник/Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская.- Киев: Наукова думка, 1987.- 543 с.
2. Нанесение покрытий плазмой/В.В. Кудинов, П.Ю. Пек-шев, В.Е. Белащенко и др.- М.: Наука, 1990.- 408 с.
3. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления/А.Ф. Пузряков.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003.- 360 с.
4. Упрочняющие и восстанавливающие покрытия/А.М. Цун, Г.С. Гун, В.В. Кривощапов и др.- Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1991.- 160 с.
