Хар'яков Андрій Васильович. Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом

Краткое описание

Хар'яков Андрій Васильович. Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом : Дис... канд. наук: 05.02.01 2008

Хар’яков А.В. Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.01 "Матеріалознавство". Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2007.
Дисертація спрямована на підвищення довговічності деталей машин (колінчастих валів дизельних двигунів та хрестовин карданних валів) нанесенням покриттів плазмово-порошковим методом, за рахунок розробки ефективного матеріалу та параметрів обробки.
Показано, що найбільш висока зносостійкість деталей забезпечується при формуванні в структурі спеціальних карбідів Ме23С6, а також легованого цементиту. Фаза, що зміцнює шар становить 6 8%. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що карбіди Ме23C6містить до 43,9% Cr, Ме3C до 13% Cr.
Отримано залежність впливу температурного режиму обробки на зміну структури покриття та перехідної зони.
Методом математичного моделювання виконана оцінка температурного поля при нанесенні покриттів плазмово-порошковим методом, ще дозволило одержати картину впливу тепловкладення в розподіл температур, по перетину покриття та перехідної зони. На цій підставі рекомендовано параметри обробки.
Методом планування експерименту оцінено вплив параметрів нанесення покриттів плазмово-порошковим методом. Отримані рівняння регресії, що описують вплив швидкості обертання деталі, величини сили струму та проведення операції попередньої термообробки для зняття напруг і стабілізації структури на величину зони термічного впливу, рівень мікротвердості та її однорідність по перерізу покриття.
Економічний ефект від впровадження технології підвищення довговічності колінчастих валів нанесенням розробленого складу покриття плазмово-порошковим методом при відновленні 1000 шт склав 279093 грн.

1. На основі аналізу апріорної інформації для підвищення довговічності деталей нанесенням покриттів був обраний плазмово-порошковий метод. Даний метод вигідно відрізняється від інших тим, що може забезпечити зміцнення, а також компенсацію зношеного шару більше 2 мм. Така обробка зберігає прямолінійність, виключає короблення деталей, забезпечує достатнє зчеплення покриття з основою, мінімальну пористість.
Ефективність методу визначається й вибором матеріалу, його хімічного складу, досягнутими властивостями з урахуванням вимог, які регламентуються технічними умовами.
2. На базі розробленої методології й комплексних методів досліджень, планування експерименту та статистичних методів аналізу виявлено вплив складу порошкових композицій на основі заліза на структуру, властивості та зносостійкість покриттів, нанесених плазмово-порошковим методом. Визначено, що при відновленні шийок колінчастих валів найбільша ефективність досягається при використанні композиції, що містить Cr 3,5 4,5%, Ni 1,8 2,2%, B 0,9 1,5%, C - 0,3 0,42%, Si 0,8 1,3%, Mn - 1,5 2,3%, Mo - 0,1 0,5%, Cu 0,85 1,3%, а для шипів хрестовин карданних валів Cr - 5,0 5,5%, Ni - 1,5 2,0%, B - 1,0 1,8%, C - 0,3 05%, Si - 1,2 1,6%, Mn - 2,0 2,5%, Mo - 0,15 0,35%, Cu 0,5 1,1%.
3. Покриття запропонованого складу, які нанесені плазмово-порошковим методом мають наступні зони: наплавлення, перехідну та термічного впливу. Перша з них визначає зносостійкість деталі, друга - міцність покриття і третя впливає на втомлену міцність деталі при експлуатації. Дослідженнями показано вплив довжини перехідної зони на міцність зчеплення покриття з основою та стабільну роботу деталі в експлуатації.
4. Показано, що найбільш висока зносостійкість деталей забезпечується при формуванні в структурі спеціальних карбідів Ме23С6, нітридів (Fe2N) а також легованого цементиту. Частка фази, яка зміцнює властивості шару становить 6 8%. Методом мікрорентгеноспектрального аналізу встановлено, що Ме23C6містить до 43,9% Cr, а Ме3C до 13% Cr.
5. Якість покриття, яке наносили на шийки колінчастих валів, оцінювали по однорідності розподілу компонентів по перерізу покриття й перехідної зони. Так, межі зміни концентрації елементів у покритті не перевищують для Cr - 3,66%, Ni - 1,798%, Mn - 1,208%, Si - 0,714%, Mo - 0,106%, перехідному шарі (на глибині 90 мкм від зони сплавлення) Cr - 4,0%, Ni - 1,97%, Mn - 1,32%, Si - 0,88%, Mo - 0,11%.
Міцність зчеплення покриття з основою становить не нижче 950 МПа, що відповідає вимогам ТУ.
6. Методом планування експерименту показано, що параметри обробки істотно впливають на структуроутворення. Показано, що найбільший вплив на рівень мікротвердості при використанні запропонованого состава покриття має сила струму. Так, при зміні її величини від 260 до 200 А твердість знижується на 11,33%. При зміні швидкості обробки деталі в прийнятному інтервалі V= 2,8 - 3,8 об/хв особливий вплив на структуроутворення не виявлено.
У випадку обробки з попереднім підігрівом у перехідній зоні в порівнянні з основним металом відзначалося підвищення концентрації всіх хімічних елементів за рахунок інтенсифікації дифузійних процесів. Дослідження показали, що попередній підігрів деталі вирівнює концентрацію компонентів у зоні покриття - перехідний шар, що позитивно позначається на забезпеченні заданої міцності зчеплення.
Отримано залежність впливу температурного режиму обробки на зміну структури покриття та перехідної зони. Показано, що при обробці параметрами I = 260 А и V = 3,8 об/хв призводить до перегріву та формуванню відманштетової структури у перехідній зоні.
7. При обробці шипів хрестовин струмом в інтервалі значень 120 - 150 А падіння концентрації всіх елементів було істотним: для Ni складало 29,47%, а Cr - 26,53%. Це призводить до неоднорідності структури та властивостей покриття й сприяє нерівномірному зношуванню відновленої поверхні деталі.
При нанесенні покриттів з використанням струму в діапазоні 150 - 180 А концентрація хімічних елементів знижувалася, у порівнянні з першим інтервалом, незначно й не перевищувала 0,58% й 5,55% для Ni та Cr відповідно.
8. Для вибору параметрів обробки розроблено метод і виконано розрахунок температурних полів. Використано новий підхід, що враховує істотні конвективні теплові потоки в рідкій фазі. Побудова такої моделі дозволяє прогнозувати структуру та властивості відновленого шару і деталі, та гнучко змінювати режими обробки для одержання необхідних її властивостей.
Оптимальними параметрами обробки для нанесення покриттів на шийки колінчастого валу СМД 60 (Сталь 45, 86мм) є: струм I = 230 A, швидкість обертання деталі V=2,8 об/хв. Ефективним є попередній відпал плазмовим струменем.
9. Запропоновано порошкові композиції для відновлення шийок колінчастих валів і шипів хрестовин карданних валів.
При нанесенні покриттів ураховували спосіб їхнього виготовлення. Оскільки при виробництві хрестовини піддаються цементації, то їх перед відновленням відпалювали при температурі t = 850С для зняття напруг і зниження вуглецю в збереженому цементованому шарі.
На основі теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано оптимальні параметри обробки при нанесенні покриттів плазмово-порошковим методом, які забезпечують оптимальні властивості та дозволяють регулювати довжину перехідної зони і термічного впливу.
При експлуатації має місце додаткове зміцнення за рахунок розпаду аустеніту (з 50% до 15%).
Розробки впроваджені на Шевченківському РТП, а споживачами відновлених колінчастих валів є Сумська, Полтавська, Луганська, Харківська та Чернігівська області. Фактичний економічний ефект від впровадження розробок склав 279,093 тис. грн.