Физико-химические и технологические основы управления структурой и свойствами износостойких покрытий из белых высоколегированных хромистых чугунов и псевдосплавов, сформированных индукционной наплавкой на углеродистые и низколегированные стали icon

Физико-химические и технологические основы управления структурой и свойствами износостойких покрытий из белых высоколегированных хромистых чугунов и псевдосплавов, сформированных индукционной наплавкой на углеродистые и низколегированные стали


Смотрите также:
Физико-химические основы технологии получения монокристаллов и поликристаллических пленок...
Физико-химические основы технологии получения монокристаллов и поликристаллических пленок...
Программ акурса лекций Физико-химические основы фотобиологических процессов для студентов 2 и 3...
Курсовой проект по дисциплине «Физико-химические основы защиты металлов от коррозии» на тему...
Исследовать металлографически микроструктуру белых и графитизированных чугунов...
V международная научная конференция «Физико-химические основы формирования и модификации микро и...
Классификация и маркировка сталей и чугунов. Применение...
Примерная программа дисциплины получение и обработка металлов и соединений...
Лекция 4 физико-химические методы исследования материалов и углеводородных систем...
«Физико-химические основы накопления меди, цинка...
Лекция 3 физико-химические методы исследования материалов и углеводородных систем...
Лекция 2 физико-химические методы исследования материалов и углеводородных систем...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать
На правах рукописи


Иванайский Виктор Васильевич




ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

ИЗ БЕЛЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ

ХРОМИСТЫХ ЧУГУНОВ И ПСЕВДОСПЛАВОВ, СФОРМИРОВАННЫХ ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКОЙ

НА УГЛЕРОДИСТЫЕ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ


Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии


Автореферат


диссертации на соискание

ученой степени доктора технических наук


Барнаул – 2012

^

Работа выполнена ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».



Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Шанчуров Сергей Михайлович


^ Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Радченко Михаил Васильевич, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», зав. кафедрой


доктор технических наук, профессор

^ Штенников Василий Сергеевич,

ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет», зав. кафедрой


доктор технических наук, профессор

Смирнов Александр Николаевич, ФГБОУ ВПО «Кузбассукий государственный технический университет им. Т.Ф.Горбачева», профессор

^

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет».



Защита состоится «29» марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, тел. (факс) 8(3852) 29-07-65, е-mail: yuoshevtsov@mail.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.


Автореферат разослан « » 2012 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.О. Шевцов

^ Общая характеристика работы


Актуальность работы. Ежегодные потери металла в результате абразивного износа даже упрочненных деталей при обработке почвы и продуктов растениеводства составляют сотни тысяч тонн.

Для повышения ресурса различных деталей и узлов, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, их изнашиваемые участки упрочняют наплавкой. Один из перспективных и недостаточно изученных способов упрочнения - это индукционная наплавка в сочетании с порошковыми материалами, из высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов систем Fer-C и Fer-C-B.Исследованием этого процесса занимались Ткачев В.Н, Тененбаум М.М., Сидоров А.И. и др.

В процессе формирования твердого сплава на упрочняемой поверхности конструкционных и низколегированных сталей образуется химическая и структурная неоднородность, в которой относительная износостойкость различных зон изменяется от 0,55 до 1,0 относительно друг друга.

Одним из направлений повышения эксплуатационной долговечности и надежности рабочих органов сельскохозяйственных машин является создание основ управления структурой и свойствами износостойких покрытий из белых высоколегированных хромистых чугунов и псевдосплавов, сформированных индукционной наплавкой.

Важнейшая часть индукционной наплавки – это формирование на поверхности деталей износостойкого слоя, работающего в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного износа. Для этого с успехом могут применяться металлосберегающие технологии индукционного упрочнения рабочих органов сельхозмашин. Не случайно в отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения индукционной наплавкой выполняется около73% всех видов наплавочных работ.

Проведенный анализ условий эксплуатации рабочих органов сельхозмашин, упрочненных индукционной наплавкой, показал, что их преждевременный износ происходит из-за образования неоднородной структуры по сечению слоя при наплавке износостойких покрытий высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов на углеродистые или низколегированные стали.

Эффективность производства и качество продукции неразрывно связано с проблемой полного использования возможностей, которые заложены в упрочняемых материалах и технологиях их нанесения на конструкционные стали. В связи с этим актуально исследование влияния физических, химических и технологических приемов и их комплексного воздействия на строение, структуру, химический и фазовый состав в системах Fe-Сr-C и Fe-Сr-C-B при индукционной наплавке.

Указанное направление может быть реализовано путем легирования износостойкого покрытия карбидообразующими элементами или насыщения бором, использования нагрева электромагнитным полем повышенной частоты, оптимизации состава шихты и дополнительного воздействия на наплавленный слой электрической дугой угольного электрода. Все это позволяет управлять формированием первичной структуры наплавленного слоя, а комбинация физико-химических и технологических воздействий дает совокупность новых научных и технических решений, позволяющих максимально повысить эксплуатационные характеристики упрочненных изделий.

Во-первых, фундаментальные исследования по созданию основ управления физико-химическими и технологическими свойствами износостойких покрытий на углеродистые и низколегированные стали проводились при финансовой поддержке РФФИ «проект № 11-08-980016-
16-р_сибирь_а (Физико-химические основы создания эффективной эксплуатации износостойких покрытий на рабочих органах сельхозтехники).

Во-вторых, работа выполнялась в рамках создания новых эффективных участков по изготовлению наплавочной шихты для заводов «Целиноградсельмаш» (ЦСМ) г. Целиноград, «Октябрьской революции» (ЗОР)
г. Одесса и «Алтайсельмаш» (АСМ) г. Рубцовск по теме 33/25/85 (Минсельхозмаш СССР), выполненной в НПО «АНИТИМ» с 1984 по 1985 гг.

В третьих, «Тематических госбюджетных работ по важнейшей тематике в НПО «АНИТИМ» в 1985-1986 гг.; хоз/договора 235/88 «Изготовление экспериментальной оснастки индукционной наплавки стрельчатых лап С 5.23 (частота 880 кГц)», 1988 г.; хоз/договора 289/89 «Наплавка опытной партии и проведение исследований упрочнения ножей землеройных машин индукционной наплавкой», 1989 г.

Цель работы – разработка научно обоснованного комплекса физико-химических мероприятий и технологических процессов, обеспечивающих повышение износостойкости покрытий из высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов, сформированных индукционной наплавкой на конструкционные стали, создание на этой основе рабочих органов сельскохозяйственных машин с максимальным энергосбережением при обработке почвы и продуктов растениеводства.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

  1. систематизировать факторы, влияющие на причину, образование неоднородной структуры в износостойких покрытиях из высоколегированных хромистых чугунов и псевдосплавов на углеродистые и низколегированные стали;

  2. исследовать тепловые процессы, образование биметаллического соединения углеродистой стали с твердым сплавом с использованием методологии вычислительного эксперимента, изучить влияние температуры на формирование структур в наплавленном слое;

  3. создать методы регистрации и измерения температуры при нагреве токами высокой частоты на поверхности детали и шихты, а также способ определения температуры плавления многокомпонентных порошковых смесей;

  4. изучить влияние физических, химических и технологических факторов на формирование однородной структуры в упрочняемом слое при образовании биметаллического соединения;

  5. разработать, изготовить и испытать рабочие органы сельскохозяйственных машин для обработки почвы и переработки продуктов растениеводства;

  6. обосновать практические рекомендации на основе проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований по созданию новых технологических процессов упрочнения индукционной наплавкой рабочих органов сельхозмашин с обеспечением оптимальной конфигурации в течение всего периода эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в разработке методологии электрофизических и химических воздействий, обеспечивающих управление структурой, фазовым составом и механическими свойствами покрытий, полученных при упрочнении углеродистых и низколегированных сталей индукционной наплавкой в системах Fe-Cr-C и Fe-Cr-В-С;

- в установлении возможности формирования структуры и механических свойств высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов, наплавленных индукционной наплавкой на углеродистые и низколегированные стали путем влияния повышенной частоты электромагнитного поля, ионокулирующих частиц, электрической дуги графитового электрода, поверхностного легирования, скоростного борирования упрочняемой поверхности и наплавочной шихты и определения взаимосвязи между составом, структурой и износостойкостью образованного покрытия;

- в разработке новых методов и приемов регистрации и измерения температуры на фазовых границах в объеме биметаллических соединений, сформированных индукционной наплавкой;

-в исследовании износостойкости упрочненных изделий в условиях приближенных к реальным;

- в разработке способов и измерения температуры нагрева упрочняемой поверхности, плавления наплавочной шихты;

- в создании термоиндикаторов для предупреждения вероятного образования нежелательных структур в наплавленном слое;

- в разработке новых способов и технологии упрочнения индукционной наплавкой и оптимизации конструкции рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Новизна научно-технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Практическая значимость работы:

1. На основе математического моделирования тепловых и физико-химических процессов, а также анализа экспериментальных исследований разработана система управления структурой и фазовым составом износостойкого слоя, наплавленного индукционным методом на углеродистые и низколегированные стали.

2. Разработаны способы регистрации температуры (а.с. № 1520996, № 1427716 и № 1403760) упрочняемой поверхности, температуры плавления шихты (а.с. № 1603268), что позволило контролировать удельную мощность вводимую в упрочняемую поверхность детали.

3. Разработаны технологические процессы и оборудование, позволяющие одновременно осуществлять наплавку и закалку деталей (пат.
№ 2383109), поверхностное легирование упрочняемой детали (пат.
№ 2338625 и 2379109), созданы новые способы упрочнения рабочего органа (пат. № 2366139, 2397849), разработаны машина для испытания на абразивное изнашивание (пат. № 2325720) и имитационная масса (пат. № 2335752).

Для очистки детали от ржавчины, масел и других загрязнений при подготовке упрочняемой поверхности для скоростного борирования, разработан способ (пат. № 2361708) и шихта (пат. № 2361711).

На базе предложенных технических и технологических решений созданы и апробированы на предприятиях машиностроения, в фермерских хозяйствах стрельчатые лапы различных типов, долотообразные лемехи, молотки кормодробилок и другие рабочие органы.

На защиту выносится:

1. Результаты комплексных исследований состава, структуры и свойств защитных покрытий, после индукционной наплавки на углеродистые и низколегированные стали;

2. Физико-химические и тепловые модели индукционной наплавки, учитывающие металлургические процессы при упрочнении твердыми сплавами лезвийной поверхности рабочих органов сельскохозяйственных машин;

3. Новые методы регистрации и измерение температуры упрочняемой поверхности и способ определения температуры начала плавления твердого сплава при индукционной наплавке порошковыми материалами

4. Экспериментально установленные закономерности образования однородной структуры в высоколегированных хромистых белых чугунах и псевдосплавах на лезвийной поверхности рабочих органов;

5. Комплекс результатов определяющихющих основы управления структурой и механическими свойствами покрытий из высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов при интегрированном воздействии: повышенной частоты электромагнитного поля, инокулирующими частицами, электрической дуги графитового электрода, поверхностным легированием, скоростным борированием упрочняемой поверхности и наплавочной шихты;

6. Экспериментальные результаты, показывающие эффективность применения разработанных способов, методов, конструкций и технологий для производства рабочих органов сельскохозяйственных машин.

Личный вклад соискателя. Проведен выбор направления исследований, постановка цели и задач, разработка методологии исследований, непосредственное выполнение основных экспериментов и анализ полученных результатов, разработка технологических процессов индукционной наплавки рабочих органов для обработки почвы и продуктов растениеводства.

Автор выражает признательность коллективу кафедры «Технологии конструкционных материалов и ремонта машин» АГАУ профессору
А.В. Ишкову, лично заведующему кафедрой ТКМ и РМ, доценту
Н.Т. Кривочурову, ст. преподавателю А.С. Шайхудинову и ученому секретарю Уральского отделения Федерального экспертного Совета РФ к.т.н. В.В. Яковлеву.

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских конференциях:

- региональной научно-практической конференции «Перспективы развития наноиндустрии Алтая. Анализ состояния патентно-лицензионной деятельности нанотехнологической сети региона» (Бийск, 26 марта 2009 г.);

- III Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в ХХI веке» (Саратов, 21-23 марта 2009 г.);

- I Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Бийск, 9 октября 2010 г.);

- V Международной научно-практической конференции «Аграрная наука сельскому хозяйству» (Барнаул, 24-26 апреля 2010 г.);

- VII Всероссийской научно-практической конференции в рамках выставки «Металлообработка. Урал 2010», «Сварка. Специальные методы сварки» (Екатеринбург, 26-28 апрель 2010 г.);

- ХI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 15-18 мая 2010 г.);

- IХ Международная двусторонняя Российско-Изральская конференция (Белокуриха, 25-30 июля, 2010 г.);

- ХII Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, август 2010 г.);

- VII Всероссийской научно-технической конференции «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, октябрь 2010 г.);

- XVI Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» (Томск, октябрь 2010 г.);

- V Международной научно-практической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, ноябрь 2010 г.);

- ХХII Международной инновационно-ориентированной конференции «Будущие машиностроение России, (ИМАШ РАН) (Москва, ноябрь 2010 г.);

- ХII Международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, ноябрь 2010 г.).

- Международная научно-практическая конференция «Алдамжаровские чтения-2011» (Костанай, декабрь, 2011 г.);

- VI Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука сельскому хозяйству» (Барнаул, 3-4 февраля 2011 г.);

- III Международная научно-практическая конференция Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий (Горно-Алтайск,
1-4 июня 2011 г.);

- V Всероссийская научно-практическая конференция «Исследования и достижения в области теоретической и практической прикладной химии (Барнаул, 26-28 октября 2011 г.);

Участие в выставках: VIII Международная машиностроительная выставка «MASHEX-2010»; ВК «КРОКУС-ЭКСПО», октябрь 2010 г.
(г. Москва); «Образование наноструктуированных боридных покрытий на сталях ТВЧ-нагреве» (диплом выставки); XVI агропромышленная выставка Сибири «Алтайская Нива-2010»; КДС, октябрь 2010 г. (г. Барнаул); III выставка-ярмарка изобретений (Алтайский край, 27-28 апреля, 2011 г.);

Участие в заседаниях кафедр: «Сварочное производство и диагностика» МГТУ им Н.Э. Баумана (г. Москва, 2011 г.); «Малый бизнес в сварочном производстве» АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Барнаул, 2011)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, в том числе три монографии, 14 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией. Получено 15 авторских свидетельств и патентов РФ. Общий объем публикаций составил 547 стр.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, семи глав, Выводов, Списка литературы из 275 наименований, Приложения (акты внедрения). Работа изложена на 295 страницах текста, содержит 118 рисунков, 28 таблиц.

Во введении раскрыта актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, приведено обоснование научной новизны и практической значимости работы, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса, направленное на изучение закономерностей образования упрочняющих слоев (наплавленного металла) при индукционной наплавке с обеспечением протекания металлургических процессов с максимальной вероятностью образования однородной структуры в наплавленном слое при затвердевании и кристаллизации высоколегированных чугунов.

Во второй главе проведены исследования тепловых и физико-химических процессов, протекающих при индукционном методе упрочнения поверхности деталей из углеродистых низколегированных сталей.

Для теоретических исследований процесса индукционной наплавки высоколегированных хромистых белых чугунов на конструкционные стали разработаны физический образ, физическая и математическая модели ТВЧ-нагрева многослойного материала с учетом фазового перехода (плавлением) в одном из слоев.

В качестве примера взят многослойный материал, состоящий из плоской заготовки конечной длины, на которую насыпана шихта, затем заготовка помещается в высокочастотное электромагнитное поле (щелевой индуктор) одновременно нагревающая заготовку с двух сторон (рис. 1).

Наплавочная шихта 1 наносится на прямоугольную пластину 2 в месте ее максимального износа с края одного торца детали длиной
h (lh). Пластина помещается в высокочастотное электромагнитное поле индуктора, после включения которого на внешних границах упрочняемой поверхности с окружающей средой в скин-слоях 3 с толщиной δ за счет взаимодействия вихревых токов с материалом начинает выделяться тепловая энергия, которая нагревает пластину с шихтой до Т1 и расплавляет наплавочную шихту.



Рис. 1. Схема многослойного материала:

1 – расплавляемый слой;

2 – слой основного упрочняемого материала; 3 – скин слой

Допускаем:

- слой 1 прозрачен для электромагнитного поля, поэтому расплавление слоя осуществляется от тепла нагреваемой пластины 2;

- конкретные числовые значения температур и других параметров в слоях распределены в интервалах Ti - Tj, xi - xj, как непрерывные случайные величины.

Выберем систему координат и введем обозначения (рис. 2).

В этом случае, изменение температуры слоя 1 может быть определено по формулам (1-3):

; (1)


Рис. 2. К решению задачи на первом этапе
(2)

(3)

где T1 – температура пластины, 0С;

– коэффициент температуропроводности (Вт/(м2, 0С);

– коэффициент теплопроводность (Вт/(м, 0С); коэффициент удельной теплоемкости (Дж/кг 0С) и плотности (кг/м3) основного материала соответственно;

α1 – коэффициент теплообмена основного материала с воздухом(1/м);

Тс – температура окружающей среды (ºС).

Температура расплава и шихты может быть определена по известным формулам (4, 6) на втором этапе:

; (4)

, (5)

в которых к условиям, обозначенным выше, добавится условие теплового баланса на границе раздела фаз:

(6)

где Т2(х,t) – температура расплава 0С ;

Т3(х,t) – температура шихты 0С;

α22, α32 – относительный коэффициент температуропроводности расплава и шлака соответственно (м2/с);

λ2, λ3 – теплопроводности расплава и шлака соответственно(Вт/(м2, 0С);

Т0 – температура пластины (она получается из решения задачи первого этапа) 0С;

Тс – начальная температура шихты0С ;

Тр – температура плавления шихты0С ;

ξ(t) – закон перемещения границы расплава;

λ – скрытая теплота плавления шихты (Дж/кг).

Тогда решением задачи на втором этапе будет:

; (7)

. (8)

Получено общее решение (уравнения 7 и 8) задачи изменения температуры многослойного материала при ТВЧ-нагреве. Расчет по данным уравнениям позволяет предложить математическую модель процесса ТВЧ-нагрева многослойного материала, например, для рассмотренного случая индукционной наплавки. Так как функции тепловых источников f(x) и Ф(x) заданы таблично, то исследуем поведение полученной математической модели численными методами.

Н
Рис. 3. Расчетное (---)

и экспериментальное () изменение

температуры во времени на границе

металл-шихта 1 и границе шихта-воздух 2 в процессе получения

биметаллического соединения

«65Г-ПГ-С27» при стационарном ТВЧ-нагреве
а рисунке 3 приведены результаты расчетов нормализованной температуры на границах слоев 2-1 и 1-окружающая среда для стационарного процесса ТВЧ-наг-рева заготовки 171005 мм из стали 65Г, покрытой слоем наплавочной шихты толщиной 5 мм, состоящей из 85 мас. % твердого сплава ПГ-С27 и плавленого боратного флюса для индукционной наплавки П-0,66 на частоте 66 кГц (Q0 = 0,5-1,0 кВт), выполненные на ПК в среде MathCad v. 11.0 по уравнениям (6, 7, и 8), а также экспериментальные результаты измерения температуры на указанных границах многослойного материала, выполненные хромель-алюмелевой микротермопарой.

Как следует из рисунка 3, в исследованной системе экспериментально наблюдается как минимум две временных стадии для основного металла, отличающиеся интенсивностью нагрева, и три стадии – для нагрева шихты.

На стадии I (0-30 с) на границе основной металл-шихта происходит интенсивный рост температуры до 0,6Тпл., которая для сплава ПГ-С27 достигает 650-700 0С, а на границе шихта-воздух температура достигает лишь 100-1500С. По времени эта стадия занимает порядка 25-30 % от общего времени нагрева.

II стадия процесса (30-85 с) характеризуется снижением интенсивности нагрева основного металла в 3-4 раза, но при этом увеличивается скорость нагрева наплавочной шихты. Продолжительность стадии составляет 40-50 % общего времени ТВЧ-нагрева.

На стадии III (85-125 с) интенсивность нагрева несколько понижается. На контактирующих поверхностях между зернами твердого сплава и основного металла образуется легкоплавкая эвтектика, имеющая для системы ПГ-С27 флюс П-0,66 температуру плавления ~ 11000С.

Данная модель удовлетворительно предсказывает все три стадии плавления шихты, при этом ошибка расчета температуры (занижение) не превышает 11-15 %. Нагрев поверхности основного металла хорошо описывается моделью лишь на первой стадии, в интервале температур Тс - 0,6Тпл., здесь ошибка (завышение) расчета температуры составляет 10-15%. Расхождение расчетных и экспериментальных точек при Т>0,6Тпл. возможно связано с началом усиленного плавления толстого слоя шихты (II стадия) и при этом неучтенного в модели дополнительного отвода тепла от слоя 2.

Таким образом:

- для описания процесса ТВЧ-нагрева многослойных материалов при плавлении одного из слоев предложена математическая модель, основанная на 2-стадийном рассмотрении тепловых процессов в материале;

- на первой стадии рассматривается нагрев только неплавящегося слоя сверху и снизу полем плоского источника (скин-слой) до Tпл. шихты, на второй стадии – процесс фазового перехода в плавящемся слое и движение фронта расплава к границе окружающей среды;

- с помощью предложенной модели численным методом исследовано изменение температуры во времени на границах слоев в процессе получения биметаллического соединения «65Г-ПГ-С27» в стационарном режиме. Модель показала адекватные эксперименту результаты, расхождение расчетных значений температуры с экспериментальными составило 10-15%.

В основу разработанной математической модели химических процессов при индукционной наплавке положены уравнения, предложенные В.Н. Бороненковым, С.М. Шанчуровым и др. для электрошлаковой и дуговой сварки и наплавки.

Блок-схема взаимодействия фаз при индукционной наплавке приведена на рисунке 4.


I стадия


Участки плавления ТС на поверхности основного металла Ме [Эi]

Шлак, реагирующий с расплавом ТС (ЭiO)



II стадия


Подплавление основного Me и перемешивание с расплавом ТС

Шлак, контактирующий с расплавом ТС , перемешанным с основным Me










Кристаллизация износостойкого покрытия

Затвердевание шлаковой ванны

Рис. 4. Блок-схема взаимодействия фаз при индукционной наплавке


Выражение для расчета концентрации i-го элемента на стадии 1 (рис. 4) плавления твердого сплава на поверхности основного металла:

, (9),

где: – содержание i-го элемента в металле, %;

– скорость ухода элемента в шлак на стадии j, т. е. химической реакции, моль ;

Si – площадь реакционной поверхности на стадии 1;

М – атомная масса элемента;

– скорость плавления твердого сплава на I-стадии.

Состав металлической и шлаковой ванн (%) связан с составами шва и шлаковой корки через известные коэф­фициенты ликвации х и х:

(10)

где х и хok – коэффициенты ликвации;

() – массовое содержание данного оксида в шлаке, %.

Расчет состава наплавленного слоя проводится последовательно: вначале для первого промежутка времени, когда составы фаз известны, по уравнению (9) находим составы металла после взаимодействия на I стадии, а затем, на II стадии к моменту времени (k+1)Δτ.
^

Результаты расчета, выполненные с помощью разработанной математической модели химических процессов, сравнили с опытными данными (табл. 1).


Таблица 1

Содержание химических элементов в шихте и наплавленном сплаве

№ п/п

Марка

сплава

Химический состав элементов, %

в шихте

в наплавленном слое*

С

Si

Mn

Cr

P

С

Si

Mn

Cr

P

1

ПГ-C 27

3,8

1,9

1,3

25,7

-

3,1

3,5

1,5

1,9

0,9

1,2

24,7

26,1

-

2

ПГ-УC 25

4,1

2,5

1,8

35,7

-

3,5

3,8

2,1

2,4

1,5

1,7

34,2

35,1

-

3

ПС-14-60

5,3

2,5

1,0

36,1

0,25

4,5

5,0

2,1

2,6

0,8

1,2

34,2

35,7

1

* В числителе - данные, полученные расчетным методом, в знаменателе – опытные данные.




Т
Рис. 5. Закристаллизовавшиеся

частицы расплава (1) в шлаке (2)
аким образом, математическая модель физико-химических процессов, протекающих при индукционной наплавке, позволяет прогнозировать химический состав наплавленного слоя.


В третьей главе разработаны: способ и состав (А.С. 1427164
А.С. 1520996), регистрации температуры начала плавления твердого сплава на упрочняемой поверхности детали является основным технологическим этапом, определяющим впоследствии физико-механи-ческие свойства наплавленного слоя. Этот фактор влияет на недогрев или перегрев наплавочной шихты, то и другое относится к браковочным признакам упрочненной поверхности.

Контролировать температуру нагрева поверхности детали в процессе наплавки традиционными способами (термопара, пирометр) не нашли применения в производстве по причине сложного аппаратурного оформления в первом случае, а во втором – большой погрешности при измерениях.

Определение температуры воспламенения термоиндикатора осуществляли следующим образом. После калибровки термопары ее подключали к АЦП К57 ПВ1А и осуществляли считывание ее показаний со скоростью до 36 с', оцифровку и передачу на персональную ЭВМ с установленным на ней ПО регистрации данных ADC.com, чтения данных и калибровки устройств ADC.mcd, функционирующем в системе Mathcad. Для серии параллельных измерений температуры использовали по три образца одинакового состава, которые зажигали на пластине по очереди при помощи базовой горелки (рис. 6).

Общая погрешность измерения температуры при этом аппаратурном оформлении с использованием программноаппаратного комплекса не превысила 10%.

Н
Рис. 6. Воспламенение

термоиндикатора

при помощи

газовой горелки


а рисунке 6 показана таблетка термоиндикатора, полученная из порошка алюминия АСД-1 и титана. Порошки смешивали в биконусном смесителе, формовали таблетки, а в качестве связующего использовали 1%-ный раствор канифоли в спирте.

Таким образом готовили и таблетки содержащие в своем составе компоненты (алюминий, оксид хрома, углерод).

Для контроля температуры воспламенения подготовленных таким образом образцов использовали вольфрамрениевую термопару диаметром 0,2 мм, которую с помощью конденсаторной сварки приваривали к пластине из стали 10Х18Н9Т размером 40x60x5 мм, а в непосредственной близости от термопары устанавливали образец таблетки-термоиндикатора (рис. 7).

На рисунке 7 показан процесс воспламенения термоиндикаторов непосредственно в индукторе на поверхности стрельчатой лапы.





Рис. 7. Воспламенение термоиндикатора на поверхности детали,

нагреваемой токами высокой частоты

На температурной кривой виден характерный температурный всплеск, при воспламенении порошковой смеси (рис 8).







а б

Рис. 8. Характерные температурные графики нагрева

и воспламенения термоиндикаторов при толщине таблеток 1 мм (а) и 2 мм (б)


Измерения температуры нагреваемой токами высокой частоты поверхности детали производились с использованием состава порошков протекающие по термитным реакциям, а также металлов титана и алюминия, которые образуют между собой реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (Пат. РФ № 7427808).

Разработан способ определения температуры плавления порошковой смеси (А.С. 1603268), что позволяет исследовать и корректировать удельную мощность тепловыделения при индукционном упрочнении поверхности детали.

Для определения температуры плавления наплавочной шихты хромель-алюмелеевую термопару диаметром 0,2 мм, изолированную двухканальной керамикой от места горячего спая до соединения с компенсационными проводами, приваривали к зерну твердого сплава (0,8-12 мм) и помещали в наплавляемую шихту, насыпанную ровным слоем толщиной 3 мм на сталь 65Г. При этом каждый горячий спай термопары через компенсационные провода присоединяли к высокочувствительному усилителю и плате сбора информации ЭВМ. Подготовленный образец с шихтой помещали в щелевой индуктор и проводили нагрев таким образом, чтобы наибольшее количество теплоты выделялось на некотором расстоянии (40-80 мм) от термопары. В процессе наплавки записывали показания в координатах: время (мс) и эдс (мВ).

На рисунке 9 приведена схема определения температуры плавления наплавочной шихты.



Рис. 9. Схема определения температуры плавления наплавочной шихты:

1 – упрочняемый металл;

2 – наплавочная шихта;

3 – термопара;

4 – компьютер;

5 – источник нагрева металла

и плавления шихты



Р
егистрация температуры плавления наплавочной шихты осуществляется следующим образом: по мере приближения фронта плавления к термопаре происходит постепенное повышение температуры, затем наблюдается интенсивное увеличение скорости нагрева при достижении фронтом плавления участка, на котором располагается термодатчик. На мониторе это отмечается перегибом температурной кривой (точка К, рис. 10), по которому и определяли температуру плавления наплавочной шихты.




Рис. 10. Определение температуры плавления наплавочной шихты

при индукционной наплавке



Э
тим методом оценивали температуру плавления сплавов ПГ-С27 и ПГ-УС25 одной па
ртии, но из разных банок (по 30 кг) у ПГ-С27 разность температур достигла 50-70˚С, а ПГ-УС25 она составляла 60-70˚С.

Важной составляющей процесса упрочнения индукционным методом является характер нагрева частицы в наплавочной шихте. Поэтому оптимизация их нагрева на упрочняемой детали невозможна без регистрации достаточной степенью точности (±10ººººС) температурных режимов наплавки.

Для измерения температуры порошковых материалов, в том числе и твердого сплава для индукционной наплавки, рабочий спай термопары приваривали к отдельной частице порошка, в которой измеряли температуру. Последовательность операций при изготовлении этого устройства состоит из нескольких этапов (рис. 11). Выбирается частица твердого сплава размером не менее трех диаметров электрода 1 термопары, а частица 2 устанавливается в разделочную кромку приспособления 3, к частице прижимаются электроды. Затем конденсаторной сваркой к электродам приваривается частица твердого сплава.



а б


Рис. 11. Схема приварки двух электродов к одной (а) и двум (б) плоскостям:

1 – термоэлектрод; 2 – частица твердого сплава;

3 – приспособление для приварки частиц


На рисунке 11 показана схема крепления термоэлектродов к одной (рис. 12а) и по двум плоскостям (рис. 12б).

Предлагаемый способ обеспечил измерение температуры нагрева твердого сплава с учетом требований, предъявляемых контактным датчиком температуры.




а б


Рис. 12. Схема крепления термоэлектродов к одной (а)

и двум (б) плоскостям (х20)


Этим методом измеряли температуру нагрева твердого сплава на границах шихта – основной металл и шихта – воздух. Полученные результаты достаточно достоверны, так как форма и химический состав рабочего слоя не отличаются от формы и химического состава отдельных частиц нагреваемого порошкового материала.

Разработаны машина для испытания на абразивное изнашивание (Пат. РФ № 2328720) абразивная имитационная масса и способ ее получения (Пат. РФ № 2335752). Эти технические решения позволяют в лабораторных условиях оценивать износостойкость материалов, нанесенных любым методом на рабочую поверхность детали. Кроме того, разработанная система регистрации параметров режима и характеристик процесса обработки почвы производится в условиях, близких к реальным. При испытании изделий в искусственной почве можно создать основные физико-механические свойства: твердость, плотность, влажность, абразивность, изменение гранулометрического состава и как эти факторы влияют на тяговое усилие и износостойкость покрытий.

Система регистрации измерений параметров и характеристик обработки почвы приведена на рисунке 13.

Подобная система позволяет синхронно регистрировать и измерять тяговое усилие в зависимости от гранулометрического состава почвы, ее твердости и влажности. Для усиления сигнала, поступающего с тензорезистора, разработана и собрана специальная схема на базе операционного усилителя.

Р
ис. 13. Схема системы регистрации измерений

параметров и характеристик процесса обработки почвы:

1 – датчик регистрации измерений твердости почвы; 2 – счетчик, определяющий длину пути при перемещении образца рабочего органа в абразивной среде; 3 – тензорезистор для измерения тягового усилия, создаваемого образцом при перемещении в почве; 4 – операционный усилитель;

5 – блок питания; 6 – компьютер


Регистрация сигналов, поступающих с тензорезисторов, датчиков, осуществлялась через системный блок компьютера и выводилась на монитор.

Преимущество разработанной системы по сравнению с другими в том, что она позволяет регистрировать и измерять основную характеристику рабочего органа.

Датчик длины пути регистрировал количество оборотов, совершенных экспериментальным образцом в абразивной массе.

Схема расположения датчиков и устройство машины для испытания на абразивное изнашивание изображены на рисунке 14а, б.

Машина состоит из стола 1, в нижней части которого расположен электродвигатель 2, соединенный с редуктором 3 посредством муфты 4. Редуктор 3 через муфту 5 соединен с приводным валом 6, проходящим через центр барабана 7 и имеющим на своем верхнем конце траверсу 8 с кронштейнами 9 с креплениями 10 для испытываемых образцов. К столу 1 одним концом жестко закреплена штанга 11 с тензометрическим датчиком 12, а другой конец штанги 11 выполнен с возможностью взаимодействия с барабаном 7, под днищем барабана 7 установлены электромагниты 13, а в качестве абразивного материала в барабан 7 засыпают ферромагнитный материал 14. В креплениях 10 установлены испытываемый образец 15 и эталонный 16, к рабочему столу 1 крепится фотодиод 17.

Машина работает следующим образом. На валу 6, приводящемся во вращение электродвигателем 2 через редуктор 3, устанавливается барабан 7, свободно вращающийся на подшипниках. От вращения его удерживает штанга 11 с наклеенным на ней тензометрическим датчиком 12. В барабан 7 насыпают имитатор почвы, в нашем случае ферромагнитный материал 14, в нем на кронштейнах 9 при помощи крепления 10 на определенной глубине устанавливают испытываемый 15 и эталонный 16 образцы (рис. 14 б).







а б


Рис. 14. Машина для испытания на абразивное изнашивание (а)

и расположение образца в имитационной абразивной почве (б)


После включения электродвигателя 2 приводится во вращение траверса 8 с кронштейнами 9 с закрепленными образцами 15 и 16, которые перемещаются в ферромагнитном материале 14.

Образцы крепятся к штанге 11 с наклеенным на нее тензометрическим датчиком 12, фиксирующим усилие, испытываемое образцами в зависимости от состояния абразивной массы. Удельное давление регулируется электромагнитами 13, установленными под барабаном. Фотодиод 17 регистрирует количество оборотов, совершаемых образцами в барабане 7.

Предлагаемая машина для испытания на абразивное изнашивание предельно проста в конструктивном исполнении, а ферромагнитный абразивный материал создает условия максимально приблизить процесс испытания образцов к среде эксплуатации рабочих органов.

Отличительной особенностью данной машины является то, что она позволяет изучать функциональные качества рабочих органов, оптимизировать конструктивные параметры, оценивать энергетические показатели.

Проведены стандартные методики измерения структуры фазового состава и химического анализа наплавленных износостойких покрытий из высоколегированных хромистых белых чугунов и псевдосплавов.

Экспериментальные исследования проводились с целью управления созданием однородной структуры в наплавленном слое и конструктивной оптимизации защиты от воздействия абразивного изнашивания при обработке почвы и продуктов растениеводства.

Основной задачей исследования являлось установление возможности управления структурой и фазовым составом посредством химических физических и технологических воздействий на наплавляемый слой из высоколегированного хромистого белого чугуна и псевдосплава.

При проведении исследований использовалось современное оборудование, обеспечивающее высокую точность и технологичность.

В четвертой главе проводились исследования по управлению формирования однородной структуры при упрочнении поверхностей деталей, выполненных из углеродистых и низколегированных сталей посредством компонентов шихты, их скоростного борирования и твердого сплава в процессе ТВЧ-нагрева.

Установлено, что флюсы в составе шихты от заводов АСМ, ЗОР и ЦСМ оказывают влияние на формирование характерных зон в наплавляемом сплаве (рис. 15).


Рис. 15. Влияние различных флюсов

на величину характерных зон

в наплавленном слое:

1 – флюс завода АСМ; 2 – флюс завода ЦСМ;

3 – флюс завода ЗОР;

I – заэвтектическая зона,

II – доэвтектическая зона,

III – эвтектическая зона

Максимальный размер заэвтектической зоны в расплавленном слое наблюдается при наплавке шихты с флюсом завода АСМ, а минимальный размер – с флюсом завода ЗОР (рис. 16).




а б в


Рис. 16. Структуры наплавленного слоя с флюсами:

а – АСМ; б – ЦСМ; в – ЗОР


Микротвердость по высоте наплавленного слоя более равномерно распределяется при наплавке флюсом завода АСМ (рис. 17).


Р

HRC


ис. 17. Влияние различных флюсов на изменение микротвердости

по толщине наплавленного слоя: 1 – флюс завода АСМ;

2 – флюс завода ЦСМ; 3 – флюс завода ЗОР


Для повышения физико-механических характеристик и срока службы деталей осуществляли борирование с применением технологии кратковременного высокоскоростного нагрева поверхности стальной детали (ТВЧ-нагрев) с нанесением на нее борирующего состава до температур образования новых фаз и эвтетик (1100-13500С) в системах Fe-B, Fe-B-C, Fe-Me-B-C, где Ме – это легирующий элемент из группы Cr, Mi, Ni и т.п. (табл. 2).

Их рентгенофазовый анализ показал присутствие фаз: α-Fe, FeB и Fe2B, Fe3(C,B) Fe23(C,B)6, мета- и ортоборатов железа (Fe3BO3, Fe3BO6, Fe3BO5), следы вюстита FeO и шпинели FeO·Fe2O3, то есть при ТВЧ-нагреве легированных углеродистых сталей под слоем флюса П-0,66, содержащего от 84 до 90% борирующих агентов, на поверхности стали образуются сложные боридные покрытия. Для выяснения характеристик и структуры полученных слоев, а также состояния боридов, были изучены микрофотографии шлифов (рис. 18а-в).

Таблица 2




оставить комментарий
страница1/3
Иванайский Виктор Васильевич
Дата09.04.2012
Размер0,67 Mb.
ТипАвтореферат, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх