Электроконтактное
припекание композиционных материалов - перспективная технология ремонта и
упрочнения
В различных
отраслях техники детали оборудования, находящихся в эксплуатации, подвергаются
различным видам износа. Для восстановления размеров используются различные
технологии наплавки и напыления. Наплавка и напыление, и их разновидности
являются наиболее гибкими не только при восстановлении изношенных размеров, но
и при упрочнении в целях увеличения срока службы техники в целом.
Наиболее распространенным
при восстановлении размеров изношенных деталей пока остаются электродуговые
способы наплавки. Повышенные припуски на механическую обработку, значительное
тепловыделение и большая зона термического влияния, деформации и изменения
геометрических размеров деталей при наплавке дуговыми способами в некоторых
случаях технологически ограничивают их широкое перемещение. Наплавка не
обеспечивает сохранение исходных «наследственных» свойств применяемого
материала, в процессе наплавки происходят существенные изменения структуры, как
материала покрытия, так и основной детали. Температура процесса наплавки
превышает температуру плавления материала покрытия, что приводит к изменению
свойств, заложенных в материале [1; 2].
При наплавке для
большинства материалов покрытия наблюдается снижение твердости, чем заложенные
в них, снижается так же физико-механические свойства как покрытия, таки
основног металла и зоны соединения.
Покрытия,
полученны газотермическими способами, характеризуются пористостью и при
нанесении покрытий толщиной 3,0 мм и более, из-за разностей коэффициентов
теплового расширения с подложкой склонны к самоотслоению.
Для повышения
прочности сцепления с подложкой покрытия, нанесенные газотермическими
способами, подвергаются к последующему оплавлению.
Повышенные
удельные мощности, требования снижения материалоемкости и себестоимости
ремонтных работ оборудования требует решения задач упрочнения и восстановления
применением современных способов иматериалов, разработки прогрессивных
технологий ремонта. Известно, что детали соприкасающихся поверхностей при
величине износа 0,1-0,3 мм теряют свои функциональные значения. Для
восстановления и упрочнения при малых значениях износа наиболее приемлимым
является электроконтактное припекание сплошных и порошковых материалов.
Электроконтактное
припекание (ЭКП) состоит в нанесении на упрочняемую или восстанавливаемую
поверхность детали слоя композиционного порошкового слоя и его припекание при
воздействии импульса тока большой силы с одновременным наложением внешнего
давления [3].
Электроконтактное
припекание является одним из видов контактной сварки давлением и протекает в
следующих стадиях [4]:
1.
Образование физического контакта, т.е.
сближение атомов покрытия и подложки за счет классической деформации.
Образуется за счет внешнего давления.
2.
Активизация контактных поверхностей –
активные центры при этом образуются на поверхности более твердого материала.
Активизация происходит в момент подачи импульса тока большой силы.
3.
Объемное взаимодействие материала покрытия
и детали обеспечиваются релаксацией напряжений, рекристаллизацией, а иногда
гетеродиффузией, образованием общих зерен.
Существуют
различные технологические способы нанесения восстановительных и упрочняющих
покрытий, рисунок 1.
Рисунок
1. Схема электроконтактного припекания: а) порошковых материалов, б) сплошных
материалов.
Нанесенный на
поверхность детали слой металлического порошка нагревается до температуры,
обеспечивающий спекание композиционного порошкового материала и образуется
диффузионный слой с деталью. По результатам многочисленных экспериментов
выявлено, что температура припекания находится в пределах 0,7-0,9 Тпл. Нанесенный
порошковый слой после припекания сохраняет заложенные в нем комплекс
технологических свойств Установки для нанесения покрытий просты по конструкции
и не содержать дефицитные детали или запасные части [5].
Применение ЭКП
обеспечивает получение необходимых свойств покрытия при восстановлении или
упрочнении, снижает затраты на ремонт, повышает производительность труда. Основными
параметрами, влияющими на свойства покрытия и зоны соединения, являются
величина силы тока импульса, усилие прижатия, время продолжительности импульса
тока и пауза между импульсами.
В настоящее время
ЭКП применяется для восстановления и упрочнения деталей сельхозтехники,
автомобильного транспорта, химической и нефтегазовой отраслей, в
машиностроении, для последующего повышения технологических свойств покрытий,
предварительно нанесенных газотермическими или другими способами. Широкая
номенклатура деталей, подлежащих восстановлению и технологические возможности
ЭКПдает основание рассматривать процесс как альтернативный многим способом
наплавки и напыления.
К преимуществам
ЭКП относятся:
- Минимальное
тепловложение. Времядействия импульса тока0,02-0,4 с, что исключает
деформацию детали, глубина зоны термического влияния в зависимости от
размера детали и параметров процесса составляет 0,2-0,5 мм, что на порядок
меньше, чем глубина зоны термического влияния при дуговых способах
наплавки.
- Получение
покрытия в режиме спекания, способствующего повышению стойкости
ролика-электрода, потери порошковых материалов, сжимает остаточные
напряжения, обеспечивает прочность сцепления на уровне основного
материала.Высокая производительность процесса, низкая энергоемкость - в
среднем 0,40 кВт/час/м;
- Отсутствие
защитной среды, а также светового излучения и газовыделения;
- Эффективное
использование расходного материала;
- Простота
конструкции установки для припекания;
- Возможность
получения износостойких покрытий с минимальными припусками для последующей
механической обработки.
Использование ЭКП
вместо оплавления заметно повышает износостойкость покрытия, улучшает
технологические свойства. Комбинация технологий газотермического напыления и
последующее применение ЭКП дает возможность получения композиционных покрытий с
заранее заданными свойствами.
Использование
покрытий с использованием материалов сплошного сечения в виде проволокиз
низкоуглеродистых сталей в сочетании с ЭКП и одновременное термодиффузионное
насыщение улучшают эксплуатационные свойства деталей. Известны способы
повышения прочности сцепления и износостойкости модифицированием ЭКП с
термодиффузионным насыщением углеродом. Результаты исследований показывают, что
покрытия из сталей, имеющих аустенитную структуру с добавлением наноразмерных
добавок графита, увеличивают содержание остаточного аустенита, интенсивность
износа снижается 3-4 раза.
В качестве
материалов для ЭКП могут применяться проволоки и шихты из порошков различных
марок, порошковые материалы легкоплавких и тугоплавких металлов, карбиды и
нитриды, бориды металлов или композиции порошковых материалов. Применение для
покрытий самофлюсующихся сплавов на основе железа и никеля, цветных сплавов и
нержавеющих сталей показали возможность получения покрытия с необходимыми
свойствами. Состав наиболее распространенных порошковых материалов приведены в
таблице 1.
Таблица
1.
Состав
порошков, использованных при ЭКП
|
C
|
Cr
|
Si
|
Mn
|
B
|
Ni
|
Fe
|
HRC
|
ПГ-СР4
|
0.6-1.0
|
15-18
|
3.0-4.5
|
-
|
2.8-3.8
|
-
|
До 5.0
|
55
|
ПГ-СР3
|
0.4-0.7
|
13.5-16.5
|
2.5-3.5
|
-
|
2.0-2.8
|
-
|
До 5.0
|
45
|
ПГ-СР1
|
2.5-3.3
|
27-31
|
2.8-4.2
|
0.4-1.5
|
-
|
3.0-5.0
|
|
51
|
Основным критерием
применимости технологии и нанесения покрытий является прочность сцепления с
подложкой. ЭКП обеспечивает получение получения покрытий с подложкой прочностью
сцепления 180-260 МПа, что достаточно для эксплуатационных условий большинства
оборудований. Технологическая наследственность порошковых материалов порядка
НRС25-60 при ЭКП сохраняется. Толщина покрытий
находится в пределах 0,1-1,5 мм и более, достаточна для обеспечения
восстановления и упрочнения для деталей типа валов, втулок, посадочных мест
подшипников и другие.
Технология ЭКП
эффективна для восстановления деталей, имеющих износ 1,5 мм по диаметру и
упрочнения рабочих поверхностей новых и реставрированных деталей. Примерная
номенклатура деталей приводится ниже:
- Детали типа
тел вращения – валы, втулки, оси, посадочные места подшипников. Размеры
восстанавливаемых деталей связано с рабочими характеристиками установок
ЭКП.
- Для
упрочнения предварительно нанесенных покрытий другими способами. Наружные
диаметры зубчатых колес, шейки коленчатых валов двигателей и компрессоров;
- Детали
электротехнической отрасли и горнорудной промышленности, сельхозтехники и
др.
Обычно детали типа
валов, втулки и посадочные места подшипников при малом значении износа – от
0,01 до 0,8 мм теряют свои функциональные значения. В таких случаях применение
ЭКП имеет преимущества в сравнении с другими способами восстановления и
упрочнения.
а)
б)
Рисунок
2. Микрофотографии зоны соединения сталь 45 + ПГ- С1.а) I=15кА, Р=20Мпа,
б) режим тот же + ППД
На рисунке 2
показана зона соединения вала коробки передач с нанесенным покрытием из порошка
ПГ-С1 при режимах припекания. Зона соединения образовалась без жидкой
фазы, отсутствуют дефекты в виде трещин, несплошностей. При последующей
поверхностной пластической деформации (ППД) прочность сцепления покрытия
повышается на 5-8 МПа. Последующая ППД производилась с уменьшением тока
припекания и усилия прижатия на 30%, чем при нанесении покрытия.
Выше было
отмечено, что установка ЭКП проста в конструкции. Учитывая эту особенность,
можно спроектировать установки для нанесения покрытий на плоские поверхности,
на наружные и внутренние поверхности.
Выводы:
Разработанные
технологии ЭКП универсальны при нанесении покрытий сплошного сечения из
различных металлов, в том числе цветных металлов, порошковых металлов. Покрытия
могут быть как восстанавливающие до чертежного размера, так и упрочняющими,
обладающими необходимыми или комплексными свойствами.
Последующее
модифицирование предварительно нанесенных покрытий ЭКП с термодиффузионным
насыщением углеродом в 2 и более раз увеличивает износостойкость покрытия.
Исследования в
области адаптивного управления процессом ЭКП расширяет возможности и открывает
перспективы в будущем широкого применения этого способа. Новые способы нанесения
покрытий, в частности, нанесения покрытий с дискретной структурой способствуют
повышению несущей способности покрытий.
Последующее
пластическое деформирование покрытий ЭКП, нанесенных различными другими
способами, значительно увеличивает механические свойства покрытий, существенно
снижает трудозатраты и увеличивает срок службы восстановленных или упрочненных
деталей.
Дальнейшее
изучение процесса ЭКП состоит в исследовании термических циклов процесса,
автоматизации управления как самим процессом, так и основными параметрами,
изучения методов прогнозирования свойств покрытий. Появление новых материалов
на основе нанотехнологий требуют разработки технологии применения и
соответствующего оборудования.
Список
литературы:
1.
Поляк, М.С. Технология упрочнения.
–Москва: Машиностроение Л.В.М.-СКРИПТ,-1995.-Т.1-832с.
2.
Газотермические покрытия / Ю.С. Борисов [и
др.]. –Киев : Наукова думка, - 1987.-544с.
3.
Клименко, Ю.В. Электроконтактная наплавка.
– М: Металлургия,1987. -128с.
4.
Ярошевич, В.К. Электроконтактное упрочнение
/ В.К. Ярошевич, Я.С. Генкин, В.А. Верещагин – Минск: Наука и техника, 1982. -
256с.
5.
Латыпов, Р.А. Выбор компактных и
порошковых металлических материалов и управление качеством покрытий при
упрочнении и восстановлении деталей электроконтактной приваркой: автореф. дисс.
… д-ра техн. наук. - М., 2007-30с.
6.
Mahmud
Ergashev, Jakhongir Butunov, Mamasodikov Xumoyun. The Experience of Using
Polymer Coolant in Electrical Contact Baking. International Journal of Advanced
Research in Science, Engineering and Technology/ vol.7, Issue 6, June 2020- p.
14116-14119
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.