Реферат: Підвищення довговічності деталей нанесенням зносостійких покриттів плазмово-порошковим методом
Порівняльними дослідженнями нанесення покриттів з використанням різної частки порошкових композицій (табл. 2) показано, що для забезпечення вимог технічних умов найбільш ефективною є композиція, яка складається з 40% ФМИ – 2 + 60 % ПЖН4Д2М. Вона забезпечує досягнення необхідної твердості рівної 52 - 55 HRC, при зміцненні та відновленні колінчастих валів. Зміна вмісту хімічних елементів у покриттях з різною часткою порошкових складових наведена на рис. 1.
Забезпечення вимог по твердості робочого шару хрестовин на рівні 57 - 65HRC досягається використанням порошкової композиції, що складається з 50% ФМИ - 2 + 50% ПЖН4Д2М.
Таблиця 2
Вміст хімічних елементів у різних поєднаннях порошкових композицій
| № композиції | Співвідношення | Хімічні елементи, % | ||||||||
| Fe | C | Si | Mn | Cr | Ni | B | Mo | Cu | ||
| 1 | 80% ФМИ-2 + 20% ПЖН4Д2М | 81,86 | 0,63 | 2,11 | 3,61 | 8,34 | 0,72 | 2,29 | 0,1 | 0,34 |
| 2 | 50% ФМИ-2 + 50% ПЖН4Д2М | 86,41 | 0,41 | 1,34 | 2,29 | 5,22 | 1,81 | 1,44 | 0,25 | 0,84 |
| 3 | 40% ФМИ-2 + 60% ПЖН4Д2М | 87,89 | 0,37 | 1,08 | 1,86 | 4,172 | 2,17 | 1,15 | 0,3 | 1,01 |
| 4 | 20% ФМИ-2 + 80% ПЖН4Д2М | 90,96 | 0,2 | 0,56 | 0,97 | 2,09 | 2,89 | 0,57 | 0,4 | 1,34 |
Рис. 1. Експериментальні оцінки середніх концентрацій хімічних елементів у покриттях, нанесених на шийки колінчастих валів при використанні різних порошкових композицій
Виконано аналіз впливу температурних параметрів обробки. Показано, що при нанесенні покриттів на шипи хрестовин струмом в інтервалі значень 120 – 150 А падіння концентрації всіх елементів було істотним: для Ni складало 29,47%, а Cr - 26,53%. При нанесенні покриттів з використанням струму в діапазоні 150 - 180 А величина вигару легуючих елементів, у порівнянні з першим інтервалом, змінюється незначно, і вони розподіляються по перерізу покриття більш рівномірно. Так, концентрація Ni і Cr знижувалася лише на 0,58% й 5,55% відповідно.
Покриття з оптимальним співвідношенням порошкових композицій для колінчастих валів і хрестовин карданних валів забезпечують однорідну структуру з дисперсними дендритами, без наявності пор, тріщин і часток нерозплавленого порошку (рис. 2). Основною структурою нанесеного покриття є аустеніт і мартенсит (~50 та 35% відповідно) з невеликою часткою фериту та карбідів.
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 Ме23 C6 і карбіди цементитного типу Ме3 C. 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 Ме23 C6 вміст Cr досягає 43,9 %, а Mn – 17,3% (рис. 3, табл. 3), а в карбідах цементитного типу Me3 C – частка Cr не перевищує 13%, а Mn – 3,4%. Це забезпечує необхідну зносостійкість покриття.
Рис. 3 Інтенсивності ліній хімічних елементів у карбіді Ме23 C6
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 Ме23 C6 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.