Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом (стр. 3 из 6)
Електрономікроскопічними дослідженнями із застосуванням мікродифракційного аналізу, а також мікрорентгеноспектральним аналізом виявлено тип сформованих фаз і вміст легуючих елементів у карбідах покриття. Фазою, що зміцнює шар є дисперсні спеціальні карбіди Ме23C6і карбіди цементитного типу Ме3C. Частка зміцнюючої фази в оптимальних складах покриттів досягає 6 - 8%.
Рис. 2 Мікроструктура покриття із запропонованого складу порошкової композиції нанесеного на шийку колінчастого валу (сталь 45)(×100):
1 - приповерхневий шар (Нµ-50 - 517); 2 - зона більш грубих дендритів(Нµ-50 - 539); 3 - границя між приповерхневою зоною і основним шаром (Нµ-50 - 411); 4 - межа нанесеного покриття і основи (Нµ-50 - 428); 5 - зерно перліту (Нµ-50 - 363); 6 - прошарок фериту по межах зерен (Нµ-50 - 137). 7 - ферито-перлітна суміш між перехідною зоною і основним металом (Нµ-50 -228), 8 - основний метал (зона відпустку Нµ-50 - 292)
Показано, що в спеціальних карбідах Ме23C6 вміст Cr досягає 43,9 %, а Mn – 17,3% (рис. 3, табл. 3), а в карбідах цементитного типу Me3C – частка Cr не перевищує 13%, а Mn – 3,4%. Це забезпечує необхідну зносостійкість покриття.
Рис. 3 Інтенсивності ліній хімічних елементів у карбіді Ме23C6
Таблиця 3
Розподіл хімічних елементів у спеціальних карбідах по перерізу покриття при пошаровому аналізі
| Крок сканування, мм | Вміст компонентів, % | |||
| Ni | Cr | Mn | Fe | |
| 0,0 | 0,00 | 40,43 | 13,23 | 43,09 |
| 0,3 | 0,95 | 40,03 | 15,25 | 40,48 |
| 0,6 | 0,05 | 41,81 | 17,12 | 37,49 |
| 0,9 | 0,00 | 40,53 | 16,13 | 39,92 |
| 0,12 | 0,00 | 42,42 | 16,69 | 37,92 |
| 0,15 | 0,00 | 43,96 | 17,30 | 35,05 |
Дослідження показали, що у спеціальних карбідах типу Ме23C6 вміст хрому, марганцю та заліза значно не змінюються по перерізу покриття. В деяких випадках вони містять незначну долю нікелю. Можна очікувати, що характер зношування в процесі експлуатації не буде змінюватися.
Четвертий розділ присвячений теоретичним дослідженням з оцінки теплових полів та аналізу їхнього впливу на структуроутворення.
Розроблено математичну модель і програму розрахунку температурного поля при нанесенні відновлювальних покриттів плазмовим струменем. Особливістю розробленої моделі є врахування істотних конвективних теплових потоків у рідкій фазі. Побудова такої моделі дозволяє прогнозувати структуру покриття і зони термічного впливу та гнучко змінювати параметри режиму обробки (силу струму та швидкість нанесення покриття) для одержання необхідних властивостей (твердість, мікротвердість структурних складових, довжина перехідної зони).
Виконані розрахунки показали, що регулювання товщини відновленого шару ефективніше здійснювати зміною швидкості руху плазмової дуги, ніж потужністю джерела нагрівання. Показана можливість регулювання перехідної зони величиною потужності в межах 0,1 - 3 мм.
Проведений порівняльний аналіз даних, отриманих розрахунковим та експериментальним шляхом (оцінкою структури та властивостей), показав, що запропонована математична модель адекватно відображає теплові процеси, які мають місце при нанесенні покриттів.
На рис. 4 наведена зміна структури по глибині покриття та перехідної зони залежно від температурного поля.
Методом математичного моделювання виконана оцінка температурного поля при плазмово-порошковому нанесенні покриттів, що дозволяє отримати картину впливу тепловкладення в розподіл температур, по перерізу покриття і перехідної зони, на підставі яких рекомендовані параметри обробки. Оцінено зміну структурних зон з урахуванням температурного поля, яке формується.
Для нанесення покриттів плазмовим методом на шийки колінчастих валів оптимальними параметрами є: крок нанесення валиків, рівний 2 – 2,5 мм при швидкості обертання деталі 3 – 7 об/хв. Такі параметри забезпечують товщину покриття до 2,0 мм і довжину перехідної зони до 0,5 – 0,8 мм. Зі зменшенням цих параметрів довжина перехідної зони зростає до 1,5 мм. Показано, що температура на глибині від 0,5 – 0,8 мм падає до значення 1000 °С.
Рис. 4. Зміна структури по глибині покриття і перехідної зони залежно від температурного поля: 1 - покриття, 2 - зона сплавлення, 3 деталь, 4 - зона перегріву (характеризується ростом окремих зерен).
П'ятий розділ присвячений дослідженню властивостей деталей, відновлених плазмово-порошковим методом.
Незалежно від параметрів нанесення покриття на всіх зразках біля границі сплавлення виявлена дендритна структура, сформована в результаті інтенсивного тепловідводу в тіло деталі. Показано, що ширина цієї зони залежить від сили струму. Металографічний аналіз виявив, що чим вище значення величини струму, на якому здійснювали нанесення покриття, а, отже, чим вище температура нагрівання деталі, тим менш протяжна зона дендритної структури. Це пояснюється тим, що при більшому значенні величини сили струму (230 А) відбувається більший прогрів тіла деталі. При цьому різниця температур покриття і прогрітого основного металу мінімальні і це не призводить до зменшення швидкості охолодження.
Стендовими випробуваннями на знос виявлено, що на момент закінчення припрацювання поверхонь величина зношування сталевого вала на 41% більше, ніж вала з покриттям, нанесеним згідно технології, яка рекомендується. У період сталого зношування інтенсивність зменшення лінійних розмірів шийки сталевого вала значно зросла. Різниця величини зношування досягає 68 %. Залежність величини зношування зразків від часу випробувань наведена на рис. 5.
Величина зони термічного впливу на шипах хрестовин збільшується зі зростанням сили струму від 120 до180 А. Найменше її значення відповідає I = 120A і дорівнює 1,5 мм. Однак, при наплавленні по даному режиму не відбувається якісного сплавлення покриття з основою. В цьому випадку у покритті формується найбільш протяжна, груба дендритна зона, яка дорівнює 0,9 мм, що збільшує схильність до крихкості робочого шару. Довжина ЗТВ при зміні струму від 120 до 180 А збільшилася у два рази.
Рис. 5. Залежності величини зношування від часу випробування зразків:
1 - зразок вкладиша (свинцева бронза);
2 - зразок стандартної деталі (сталь 45, загартування СВЧ);
3 - зразок, відновлений з нанесенням покриття, що рекомендується, і за пропонованою технологією
При відновленні з використанням струму I = 180 А в покритті може формуватися відманштетова структура, як результат значного перегріву.
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 зношеного шару на величину зони термічного впливу (рівняння 1), рівень мікротвердості і її однорідність по перерізу покриття (рівняння 2) і ступінь неоднорідності структури, яка оцінена по зміні мікротвердості, % (рівняння 3).
Рівняння регресії мають вигляд:
Y1=2,75–1,55X1 - 0,2X3 - 0,7X1X2–0,3X2X3+0,7X1X2X3. (1)
Y2 = 487,25 – 58,5X1 – 105,5X2 +41,5X3 + 96,5X1X2X3 (2)
Y3 = 8,86 + 2,32X1 – 1,03X2 – 2,78X3 + 4,68X1X2 – 11,6X1X3 – 8,5X2X3 (3)
де: Y1 – величина зони термічного впливу, Y2 – величина мікротвердості, Y3 - рівень неоднорідності мікротвердості.
При цьому швидкість обертання (Х1) деталі змінювали в межах V = 2,8 – 3,8 об/хв; силу струму (Х2) I = 200 – 260 А, попередній відпал плазмовим струменем (Х3) при t=850°С та без нього.
Показано, що довжина зони термічного впливу, головним чином, визначається силою струму, швидкістю обертання деталі та їх парною взаємодією. Чим вище швидкість обробки, тим менше величина зони термічного впливу.
Мікротвердість істотно залежить від зміни сили струму обробки. При зниженні від 260 до 200 А вона падає на 11,3%, за рахунок зменшення температури в зоні сплавлення. При цьому структура покриття після іспитів на зношування (в поверхневому шарі), нанесеного порошковою композицією, що рекомендується, має структуру: до 15% залишкового аустеніту (зменшилось в три рази), тростит з окремими включеннями легованого фериту та карбідів.
Найбільш значний вплив на неоднорідність структури та мікротвердості мають парні взаємодії сили струму, швидкості обертання деталі з проведенням попереднього відпалу.
Перед нанесенням покриттів на шипи хрестовин проводили попередній відпал при 850°С. При цьому відмічається підвищення концентрації хімічних елементів у перехідній зоні (у середньому на 60% Si, 3,8% Mn, 14,7% Cr, 17,5% Ni, 50% Mo), що підвищує міцність зчеплення покриття з деталлю. Це пояснюється інтенсифікацією дифузійних процесів в наслідок підвищення температури.
Запропоновано параметри обробки для промислового впровадження такої технології: попередній відпал поверхонь шипів хрестовин плазмовою дугою (струм I = 80А, напруга U = 40 В) для зневуглецювання попередньо цементованого й частково зношеного шару; нанесення покриття при зварювальному струмі I = 150 А та напрузі дуги U = 40 В.
У шостому розділі надається оцінка запасу міцності й зносостійкості колінчастих валів. Розглядається промислове випробування та впровадження розробок.