Разработка технологии модифицирования износостойких покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC в процессе плазменно-порошковой наплавки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Князьков, Константин Викторович

• Князьков, Константин Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Князьков, Константин Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА

1.1 Анализ причин интенсивного износа рабочих поверхностей 12 деталей машин горнодобывающего оборудования

1.2 Анализ способов защиты деталей машин горнодобывающего оборудования от ударно-абразивного износа

1.3 Анализ применения тугоплавких сплавов при ударно-абразивном изнашивании

1.3.1 Композиционный порошковый материал ПС-12НВК-01

1.3.2 Модифицирование защитных покрытий в процессе 29 наплавки.

1.3.3 Наноразмерный модификатор АЬОз

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Алгоритм проведения исследований по разработке технологии модифицирования защитных покрытий системы №-Сг-В-81-Ре/\¥С в

I процессе плазменно-порошковой наплавки

2.2 Механоактивация смеси композиционного материала ПС-12НВК-

01 и наноразмерного порошка АЬОз

2.3 Оборудование и схема плазменно-порошковой наплавки

2.3.1 Расчётно-экспериментальное определение технологических режимов плазменно-порошковой наплавки

2.4 Металлографические исследования наплавленных образцов. Методики и оборудование

\

2.4.1 Оптическая микроскопия

2.4.2 Рентгеноструктурный анализ

2.4.3. Растровая электронная микроскопия (РЭМ)

2.4.4 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

2.4.5 Испытание на микротвердость и твердость

2.4.6 Испытания на абразивный износ о жёстко закрепленные частицы абразива

2.4.7 Испытания на ударную вязкость. Определение характера

излома

2.5 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ КОМПОЗИЦИОННОЙ НАПЛАВОЧНОЙ СМЕСИ, СОДЕРЖАЩЕЙ НАНОРАЗМЕРНЫЙ МОДИФИКАТОР, И ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЕ

3.1.1. Исследования композиционного материала ПС-12НВК-01

и АЬОз в исходном состоянии

3.1.2. Исследование воздействия механоактивации на композиционный материал ПС-12НВК-01

3.1.3. Общая зависимость воздействия механоактивации на композиционный материал ПС-12НВК-01 и наноразмерный модификатор А120з. Определение рационального режима механоактивации

3.2 Разработка технологии плазменно-порошковой наплавки наплавочного материала ПС-12НВК-01 и смесью ПС-12НВК-01 с наноразмерным АЬОз

3.3 Металлографические исследования влияния наноразмерного модификатора на структуру наплавленных композиционных покрытий

3.3.1 Исследование общей микроструктуры оптической

микроскопией

3.3.2 Рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования наплавленных покрытий

3.3.3 Дефектная структура и поля напряжений

3.4 Исследование влияния наноразмерного модификатора АЬОз на механические свойства защитных покрытий, наплавленных способом плазменно-порошковой наплавки

3.4.1 Исследование микротвердости наплавленных образцов защитных покрытий

3.4.2 Испытания защитных покрытий на абразивную стойкость полученных образцов

3.4.3 Исследование ударной вязкости и характера излома полученных покрытий

3.5 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ АПРОБАЦИЯ

РАЗРАБОТАННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ М-СК.-В-81-РЕЛ¥С,

ПОЛУЧЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ

НАПЛАВКИ КОМПОЗИЦИОННОЙ СМЕСЬЮ ПС-12НВК-01,

СОДЕРЖАЩЕЙ В СОСТАВЕ НАНОРАЗМЕРНЫЙ

МОДИФИКАТОР А1203

4.1 Выводы по главе 4

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии модифицирования износостойких покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC в процессе плазменно-порошковой наплавки»

ВВЕДЕНИЕ

В процессе эксплуатации горнодобывающего оборудования возникает ряд проблем, которые приводят к аварийным остановкам. В первую очередь, это связано с тем, что при работе основных деталей машин горнодобывающего оборудования, под воздействием износа, происходит разрушение рабочих поверхностей, что требует повышенного внимания к их износостойкости.

В рамках «Долгосрочной программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года», утвержденной Президентом РФ, планируется увеличение объемов добычи угля более чем в два раза (рисунок 1.1) [1]. Поэтому повышение технических характеристик горнодобывающего оборудования является актуальной задачей.

Млн тонн

450Г 400 350 300 250 200 150 100 50 0

2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 Рисунок 1.1 - Планируемые производственные мощности, реализуемые в рамках правительственной программы по добыче угля в Кузбассе f85o г.

В настоящее время защита рабочих поверхностей деталей машин горнодобывающего оборудования осуществляется преимущественно при помощи монтажа бронеплит, изготовленных из листов углеродистых сталей с нанесенными различными способами наплавки защитными покрытиями.

5

Толщина бронеплит лежит в пределах от 20 до 30 мм, что существенно снижает производительность горнодобывающего оборудования (таблица 1.1.)

Таблица 1.1 — Снижение производительности горных машин в зависимости от объема ковша и грузоподъемности кузова самосвалов, имеющих защиту в виде бронеплит

Деталь, подверженная износу Грузопо дъемно сть Толщина бронеплит, мм Годовое снижение производительности

млн. тонн/год млрд. руб./год

Ковш экскаватора 15 м3 20 1,1 0,645

27 м3 2,2 0,804

35 м3 2,6 1,12

Кузов самосвала 130 т. 0,2 0,317

200 т. 0,45 0,376

320 т. 0,62 0,462

По этой причине задача совершенствования технологий изготовления бронеплит, обладающих относительно существующих технологий более высокой износостойкостью и меньшей толщиной, является весьма актуальной.

Все более широкое распространение получают технологии модифицирования в процессах наплавки, используемые для повышения механических и специальных свойств наплавленного сплава, основанные на введении тугоплавких частиц. При этом применение модификаторов с размерами частиц 6-100 нм позволяет существенно снизить размеры зерна структуры сплава за счет минимального начального радиуса центра кристаллизации и равномерного распределения частиц модификатора в расплавленном сплаве при относительно малом содержании их по массовой доле.

Работа выполнена в рамках федеральной правительственной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород» (Соглашение №14.607.21.0028 от 06.06.2014г.).

Степень разработанности темы диссертации. Все более широкое распространение получают технологии модифицирования в процессах наплавки, основанные на введении тугоплавких частиц и используемые для повышения механических и специальных свойств наплавленного сплава. Применение модификаторов с размерами частиц 6-100 им позволяет существенно снизить размеры зерна структуры сплава за счет минимального начального радиуса центра кристаллизации и равномерного распределения частиц модификатора в расплавленном сплаве при относительно малом содержании их по массовой доле.

Современные технологии нанесения защитных покрытий имеют недостаток в том, что они нацелены на повышение абразивной износостойкости деталей машин, но не позволяют в необходимой мере их эксплуатацию в условиях комбинированного ударно-абразивного изнашивания. Перспективное в этом направлении решение - применение композиционных материалов, содержащих 20-35% упрочняющей фазы, что является, согласно исследованиям, оптимальным составом для работы покрытии в условиях ударно-абразивного изнашивания, а также применение модифицирования для изменения структуры и, как следствие, повышения механических свойств основы защитных покрытий, определяющих стойкость к ударным нагрузкам.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния модификатора на формирование износостойких покрытий, выполненных композиционным порошком ПС-12НВК-01 плазменно-порошковым способом. В качестве модификатора применен наноразмерный А12Оз. Для получения композиционной

смеси ПС-12НВК-01 и наноразмерного модификатора использовалась механоактивация на установке АГО-3.

Цель работы - повышение износостойкости поверхностей горнодобывающего оборудования в условиях ударно-абразивного износа способом плазменно-порошковой наплавки с использованием наноразмерного модификатора

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обосновать необходимость использования плазменно-порошковой наплавки и произвести научно-обоснованный выбор наплавочного материала и наноразмерного модификатора для обеспечения высоких показателей стойкости к износу создаваемых защитных покрытий.

2. Разработать способ получения композиционного наплавочного материала, содержащего наноразмерный модификатор АЬОз методом механоактивации порошковых материалов принципиально разных фракций для обеспечения удовлетворительных наплавочно-технологических свойств.

3. Разработать технологию износостойкой плазменно-порошковой наплавки полученным композиционным наплавочным материалом на основе сплава ПС-12НВК-01 и наноразмерного модификатора А120з.

4. Определить характер воздействия наноразмерного модификатора АЬОз на структурно-фазовое состояние наплавленных покрытий и установить рациональное соотношение наноразмерного модификатора и базового порошкового сплава.

5. Выполнить комплекс технологических исследований свойств наплавленных покрытий, подтверждающих повышение показателей ударно-абразивной износостойкости. Провести производственную апробацию результатов диссертационного исследования.

Научная новизна работы:

1. На основании анализа особенностей эксплуатации горнодобывающего

оборудования обоснован выбор способа плазменной порошковой наплавки, смеси

основного высоколегированного наплавочного материала ПС-12НВК-01 и

8

наморазмерного модификатора АЬОз для обеспечения высоких показателей стойкости к ударно-абразивному износу наплавленных защитных покрытий.

2. Экспериментальным путём определён рациональный режим процесса механоактивации наплавочной смеси с показателями гравитационного ускорения 1(Ю и временем обработай 210 секунд, обеспечивающий удовлетворительные наплавочно-технологические свойства в процессе плазменной порошковой наплавки.

3. В результате системных металлографических исследований установлено, что при плазменно-порошковой наплавке композиционной смеси ПС-12НВК-01 введение наноразмерного модификатора АЬОз приводит к измельчению структуры с 6 до 10 балла зерна, а также преобразованию монокарбида вольфрама \УС во вторичный карбид \УгС, что является фактором дополнительного увеличения износостойкости наплавленных покрытий.

4. В результате комплексных технологических исследований установлено рациональное содержание модификатора в композиционном материале ПС-12НВК-01 (порядка 1%), позволяющее увеличить абразивную стойкость полученных покрытий в 2,2 раза но сравнению с покрытиями, полученными исходной композиционной смесью, и повышенной в 1,4 раза стойкостью к ударным нагрузкам, что отвечает условиям длительной эксплуатации горнодобы вающего оборудо ван ия.

Теоретическая значимость работы. Представлены доказательства положений, вносящие вклад в изучение механизма модифицирования наноразмерными частицами АЬОз износостойких покрытий в процессе плазменно-порошковой наплавки. Установлены зависимости изменения структуры, микротвердости, абразивного износа, ударной вязкости от величины содержания наноразмерного модификатора АЬОз.

Практическая значилюсть работы

Разработанная технология позволяет получить наплавочную

композиционную смесь ПС-12НВК-01 и наноразмерного модификатора АЬОз с

оптимальной грануляцией композиционного порошка и частиц модификатора.

9

Разработанные расчётно-экспериментальным путём технологические параметры нлазменно-порошковой наплавки композиционным материалом ПС-12НВК-01, содержащим наноразмерный модификатор AI2O3, позволяют упрочнять поверхности горнодобывающего оборудования, подверженные комбинированному ударно-абразивному износу.

Разработанная технология плазменно-порошковой наплавки прошла производственную апробацию при упрочнении изнашиваемых поверхностей ковша экскаватора Hitachi ЕХ5500 емкостью 27 м3 на угольном разрезе ЗАО «Черниговец» (Кузбасс). При этом экономическая эффективность применения данной технологии по оценке экономистов угольного разреза составила 1,1 млн. руб. на один ковш.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Композиционный порошковый наилавочный материал, состоящий из высоколегированного сплава ПС-12НВК-01 и наноразмерного модификатора АЬОз, разработанный для упрочнения поверхностей горнодобывающего оборудования, эксплуатируемого в условиях комбинированного ударно-абразивного износа.

2. Механизм измельчения структуры наплавок с 6 до 10 балла зерна и преобразования монокарбида вольфрама WC во вторичный карбид дивольфрама W2C за счёт введения при плазменно-порошковой наплавке наноразмерного модификатора AI2O3, как фактора дополнительного увеличения износостойкости наплавленных покрытий.

3. Комплекс металлографических и технологических исследований процесса плазменно-порошковой наплавки композиционной смесью, при котором обеспечивается абразивная стойкость полученных покрытий в 2,2 раза выше, чем у покрытий, наплавленных базовым порошковым сплавОхМ, и повышенная в 1,4 раза стойкость к ударным нагрузкам.

Методология и методы дисссртационного исследования. Основными

методами исследования в работе являются металлографические исследования

оптическая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, растровая электронная

10

микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и механических испытаний образцов наплавленных покрытий на микротвердость, абразивный износ о жёстко закрепленные частицы абразив и ударную вязкость.

Достоверность полученных результатов и их экспериментальное обоснование обеспечиваются применением современных методов исследования, последовательным и системным подтверждением результатов исследований, выполненных по различным методикам, сопоставлением отдельных научных результатов с данными других авторов.

Личный вклад автора заключается в планировании исследований, изготовлении объектов исследования, проведении расчетно-эксиериментальных работ, выполнении комплекса экспериментальных технологических и структурно-механических исследований, обсуждении и интерпретации полученных результатов, написании статей и докладов, организации и проведении производственной апробации разработанной технологии наплавки.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях: Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов», Иркутск, 2011; XIII Международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов и оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», Санкт-Петербург, 2011; II Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Кемерово, 2011; III Международной молодежной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Барнаул, 2012; Международной научно-технической конференции «Сварка и Контроль 2013», Пермь, 2013; X Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь — 2013», Барнаул, 2013; Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Новокузнецк, 2014; Международной научно-

практической конференции «Перспективы инновационного развития угольных регионов России», Кемерово, 2014.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 5 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 93 наименования и приложения. Всего 125 страниц машинописного текста, в том числе 11 таблиц и 59 рисунков.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА

1.1 Анализ причин интенсивного износа рабочих поверхностей деталей машин горнодобывающего оборудования

В результате эксплуатации рабочие органы горнодобывающего оборудования, например, угольных ковшей, происходит процесс сухого трения угольных частиц о поверхности деталей машин, что вызывает абразивное изнашивание. С учетом свободного падения угольных частиц данный вид износа выделяется в самостоятельный вид ударно-абразивного изнашивания и имеет наиболее интенсивный характер разрушения материалов. Следует отметить, что классификационные признаки процесса изнашивания пока четко не установлены, и эти классификации существенно отличаются друг от друга . В процессе абразивного изнашивания поверхностные слои испытывают сложнонапряженное состояние. При этом воздействие абразивов, вдавливаемых в рабочую поверхность и затем перемещающихся относительно её, характеризуется неравномерностью распределения по поверхности. В этих условиях механические и физические свойства структурных составляющих приобретают большее значение, чем общие свойства сплава, определяемые стандартными методами. Интенсивность изнашивания металла при трении о монолитный абразив определяется соотношением их прочностных характеристик» [4]. Следует отметить, что «в механизме абразивного изнашивания велика роль не только твердости и прочности, но и устойчивости исходных структур при нагреве» [5]

Как упоминалось выше, при эксплуатации горнодобывающего оборудование также присутствует ударный износ, возникающий вследствие падения угольных масс на поверхность деталей машин. Так, например, при

погрузке угольной породы ковшом емкостью 27 м3 в кузов карьерного самосвала масса угля составляет порядка 35 тонн. Ударный износ приводит к деформациям и дефектам структуры, которые, накапливаясь, впоследствии релаксируются в виде микротрещин, что приводит к нарушению целостности защитных покрытий. Кроме того, при падении угольной породы происходит внедрение частиц абразива в существующие микродефекты что также увеличивает скорость разрушения защитных покрытий [6].

Таким образом, в процессе работы горнодобывающего оборудования поверхности деталей машин подвергаются комбинированному ударно-абразивному износу. При этом наблюдается прямое внедрение абразивной частицы в упрочняющий слой с образованием лунок. При многократном попадании частиц абразива в лунку происходит разрушение ее контурных перемычек по схеме расклинивания. Комбинация ударного и абразивного износов является одной из наиболее сложных комбинаций износа [7].

Ударно-абразивному изнашиванию подвергается большое количество горнодобывающего оборудования (рисунок 1.2) связано это с тем, что существующие в настоящее время машины обладают размерами в 4 раза больше, чем применявшиеся 15 лет назад [8]. По этой причине за последние годы произошло увеличение темпов ударно-абразивного износа, определяющего в настоящее время скорость выхода из строя горнодобывающей техники. Так, при эксплуатации ковшей экскаваторов защитные покрытия толщиной 20 мм выполненные наплавочными материалами системы Ре-Сг-1Мь8ьС в среднем отрабатывают 5000 моточасов, при этом объем устанавливаемых бронеплит достигает 90% всей площади ковша. В настоящее время средний размер ковшей на территории Кузбасса составляет 18 м3, что требует до 27 м2 монтируемых бронеплит при средней стоимости в 35 000 руб./м2, или соответственно 945 000 руб. на ковш. Согласно данным предприятий горно-обогатительного комплекса Кузбасса ресурс работы дробилок при упрочнении сплавом

320Х25С2ГР составляет не более 160 моточасов, что объясняется высокими скоростями вращения, вызывающими преобладающий ударный износ по периферической части била и абразивный по боковым. Упрочнение зубьев ковшей экскаватора зачастую не приводит к повышению эффективности, так как причина выхода из строя в большинстве случаев заключается в разрушении основного металла детали из-за развития дефектов литья [9]. Работа защитных покрытий кузовов БелАЗов составляет в среднем 6000 моточасов, что вызвано ударными нагрузками при погрузке и абразивным износом при выгрузке угля.

Рисунок 1.2 - Детали горнодобывающего оборудования, подверженные интенсивному ударно-абразивному износу: а - ковш экскаватора; б - кузов карьерного экскаватора; в - угольная молотковая дробилка;

г - буровая шарошка

Итак, определение характера износа поверхностей основных деталей

горнодобывающего оборудования показывает, что существует необходимость

проведения анализа способов изготовления защитных покрытий,

15

необходимых для получения повышения стойкости деталей машин в процессе интенсивного ударно-абразивного износа. При этом необходимо создание защитных покрытий, обладающих меньшей толщиной, с целью повышения полезного объема деталей машин горнодобывающего оборудования.

При защите деталей машин горнодобывающего оборудования применяются в основном три способа:

1. Монтаж элементов-бронешшт из износостойких сталей (НА1ШОХ, ЯАЕХ, ВСЖОХ);

2. Монтаж элементов-бронеилит из износостойкого хромистого чугуна нанесенного диффузионной сваркой на углеродистую сталь;

3. Наплавка тугоплавкими сплавами непосредственно на саму деталь или монтаж элементов-бронеплит с наплавкой тугоплавкими сплавами.

Применение износостойких сталей на деталях, работающих в условиях ударно-абразивного износа, не приводит к существенному повышению износостойкости, так применение стали НАЯООХ 500 обеспечивает не более 50% ресурса основной детали, что говорит о низкой износостойкости непосредственно по отношению к материалу, из которого выполнена защищаемая деталь [10]. К остальным перечисленным сталям это тоже относится, так как они являются аналогами стали НАЯООХ.

Использование износостойкого чугуна не является рациональным при ударно-абразивном изнашивании, по причине низкой прочности сцепления между основой из углеродистой стали и износостойким покрытием из износостойкого хромистого чугуна, а также быстрым образованием дефектов в виде микротрещин, причиной которых является ударный износ [10].

Наиболее актуальным является применение наплавки тугоплавкими сплавами, при этом применение напыления тугоплавкими сплавами невозможно по причине скалывания покрытия в процессе ударного износа [11,

12]. При наплавке применяются наплавочные материалы различного состава, что обеспечивает повышение износостойкости при различных видах изнашивания. Для повышения стойкости к ударно-абразивному изнашиванию невозможно применение наиболее распространенных в промышленности способов наплавки, таких как ручная дуговая наплавка, механизированная наплавка порошковыми проволоками, автоматическая наплавка под слоем флюса. Эти способы наплавки обладают большим количеством недостатков, определяющих снижение свойств износостойкости из-за высокой доли основного металла в наплавленном, перегрева металла сварочной ванны, приводящих к крупнозернистой структуре, неоднородность химического состава полученных защитных покрытий и т.д. [13]. По этим причинам необходимо применение специализированных способов наплавки.

1.2 Анализ способов защиты деталей машин горнодобывающего оборудования от ударно-абразивного износа

Для определения способа наплавки предварительно необходимо было определить критерии выбора. Такими критериями были определены:

1. Минимальная степень участия основного металла в наплавленном (у0) при снижении количества проходов при наплавке до одного для получения максимальных механических свойств защитных покрытий уже в первом слое.

2. Высокая производительность наплавки.

3. Низкая степень деформации детали при выполнении защитных покрытий размерами более 1 м2 без перерывов;

4. Высокая степень автоматизации для проведения работ в массовом производстве.

5. Возможность выполнения ремонтного упрочнения непосредственно на рабочей площадке горнодобывающего оборудования;

6. Отсутствие использования горючих газов, ограничивающих возможность применения на опасных производственных объектах, таких как разрезы и шахты.

Для анализа были выбраны наиболее распространенные способы наплавки, представленные таблице 1.2 и позволяющие обеспечивать необходимые показатели.

Анализ показал, что из представленных способов наплавки по вышеуказанным критериям выделяется илазменно-порошковая наплавка. Этот способ отвечает большинству критериев и обладает минимальным количеством недостатков, что необходимо для получения качественных защитных покрытий. Это послужило мотивом для произведения дальнейших исследований с применением данного способа.

Одним из эффективных методов восстановления и упрочнения деталей машин является илазменно-порошковая наплавка твёрдыми сплавами [14-16]. По результатам проведенных исследований «Наплавке могут подвергаться новые изделия с целью упрочнения поверхностного слоя и изношенные - для восстановления первоначальных размеров и упрочнения [14]. Как известно, особенностью плазменной наплавки является плавление присадочного материала под воздействием локализованного источника энергии с высокими значениями удельного теплового потока (до 7-10 кВт/см). При этом длительность расплавления и кристаллизации присадочного материала весьма мала. С этим связаны факторы, обусловливающие высокое качество наплавленных плазмой деталей, а именно - возможность регулирования глубины проплавления основного металла и получения заданного состава наплавленного металла» [15].

Таблица 1.2 - Способы наплавки защитных покрытий подходящие по поставленным критериям

Способ наплавки Доля основного металла в наплавленном, % Толщина наплавленного слоя, мм Производите льность, кг/час Недостатки

Газопорошковая 0,5-3,0 0,3-3,0 0,5-3,0 Низкая производительность при наплавке массивных деталей, использование горючих газов, сложность применения на открытых площадках, требуются продолжительный предварительный подогрев, работы должен проводить оператор высокой квалификации, нестабильность качества наплавленного слоя

Электрошлаковая 5,0-10,0 15,0-50,0 100,0-200,0 Сложность применения на открытых участках, необходимость в больших мощностях, недопустимость прерывания процесса до окончания наплавки, необходимость изготовления технологической оснастки, формирующей крупнозернистую структуру в наплавленном слое, и зоне термического влияния

Индукционная 0-7,0 0,4-3,0 2,0-15,0 Сложность применения на крупногабаритных деталях, высокая стоимость малогабаритного оборудования, большие затраты времени при применение на открытых площадках, перегрев основного металла, при котором неизбежно происходит образование крупнозернистой структуры в зоне сплавления, необходимость использования материалов, которые имеют температуру плавления ниже температуры плавления основного металла

Плазменная 2,0-18,0 0,3-6,0 1,0-15,0 Относительно низкая производительность, высокое потребление инертных газов, работы должен проводить оператор высокой квалификации

Плазменная наплавка с вдуванием порошковых сплавов в дугу является наиболее применяемым способом. Присадочный порошок, оплавляясь, переносится на наплавляемую поверхность, где окончательно расплавляется плазменной струей (рисунок 1.З.). Вдоль плазменной струи пропускается нейтральный газ (аргон), который сжимает столб дуги, что приводит к увеличению его температуры. Для защиты зоны плавления от воздействия окружающего воздуха подаётся защитный газ [17].

Плазменно-порошковая наплавка обладает возможностью легирования наплавленных слоев, вследствие большого диапазона регулирования ввода теплоты в наплавленный и основной металлы. Возможность применения широкого спектра наплавочных порошковых материалов, позволяет достигать высокий эффект за счёт изготовления деталей из углеродистых и низкоуглеродистых сталей с наплавленным износостойким слоем, вместо дорогостоящих легированных сталей, что повышает срок службы деталей.

газ

Рисунок 1.3 - Схема плазменно-порошковой наплавки: 1 - неплавящийся вольфрамовый электрод; 2 - источник питания; 3 - сопло

плазмообразующего газа; 4 - плазменная струя; 5 - сопло подачи транспортирующего газа; 6 - сжатая дуга; 7 - сварочная ванна; 8 - основной металл; 9 - наплавленный металл; 10 - блок управление током; 11 - резистор

Плазмообразующий газ

Транспортирующий

Плазменно-порошковая наплавка позволяет повысить экономический эффект при восстановлении деталей энергетического, горно-шахтного, металлургического, энергетического оборудования, и их рабочего инструмента, а также оснастки: резцов, валов, валков, транспортирующих роликов, гидравлических насосов, штоков, и т.д. [13]. Наряду с цилиндрическими деталями (телами вращения) «применяется наплавка изделий типа «пластина» или деталей с плоскими поверхностями» [18]. Для повышения производительности при наплавке применяется колебательный механизм, обеспечивающий амплитуду поперечных колебаний плазматрона. Так, применение колебательного механизма позволяет увеличивать производительность до «18 кг/час на больших площадях наплавки за счет снижения количества наплавленных валиков» [19].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Князьков, Константин Викторович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Распоряжение Правительства РФ от 24 января 2012 г. N 14-р «Об утверждении Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года».

2. Шеенко, И. Н. Современные наплавочные материалы / И. Н. Шеенко, В. Д. Орешкин, Ю. Д. Реикин. - Киев: Наук, думка, 1970. - 238 с.

3. Титаренко В.И., Титаренко A.B., Ткаченко О.В. Восстановление деталей машин металлургического и горнодобывающего оборудования./ Титаренко В.И., Титаренко A.B., Ткаченко О.В. г. Днепропетровск, 2011. с. - 4 - 8

4. Попов С.Н. Физические и материаловедческие основы изнашивания деталей машин. http://vv\vw.zntu.edu.ua/base/i2/ifT/k3/ukr/tribos/books/books.htm.

5. Лившиц JI. С. Металловедение для сварщиков / Л. С. Лившиц. - М.: Машиностроение, 1979.-241с.

6. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. и др. Изнашивание при ударе/ Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. и др. - М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.

7. Повышение долговечности объемноармированных изделий, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания за счет использования в качестве основы нестабильно-аустенитных сталей. Мищенко, Александр Николаевич. Москва. 1984.

8. Р.Ю. Подэрни. Анализ современного состояния мирового рынка поставок выемочно-погрузочного карьерного оборудования (мехлопаты и драглайны) 1 часть. Журнал "Горная Промышленность" №6 (111) 2013, стр.14

9. Хромой М. Р., Свинарчук П. В., Свинарчук В. П. ИЗНАШИВАНИЕ ВООРУЖЕНИЯ КОВША КАРЬЕРНОГО ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА. Научный вестник МГГУ. 2010 с. 106-113

10. Короткое В.А. Исследование износостойкости твердых наплавочных материалов в производственных условиях. Журнал "Известия высших учебных заведений. Черная металлургия" №1 2013, стр.45-49

11. Киселев, В. С. Повышение износостойкости наплавленных покрытий путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй: авторсф. дис. канд. техн. наук: 05.02.10 / В. С. Киселев. Барнаул, -2010. - 3 с.

12. Хасуй, А., Моричаки, О. Наплавка и напыление / А. Хасуй, О. Моричаки. -М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

13. Сидоров, А. И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой /

A. В Сидоров. - М.: Машиностроение, 1987. - 192 с.

14. Малаховский, В. А. Плазменные процессы в сварочном производстве /

B. А. - М.: Высшая школа, 1988. - 72 с.

15. Плазменная наплавка металлов / Вайнерман А. Е. [и др.] — Л.: Машиностроение, 1969. - 192 с.

16. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностроение, 1974. — 520 с.

18. Зубков, Н. С. Изготовление наплавленного металлорежущего инструмента / Н. С. Зубков, В. А. Тютяев, Е. Н. Зубкова. - Тверь: ТГТУ, 1998. - 124 с.

19. Белый, А. И. Плазменная наплавка резьбовых замков и муфт геологоразведочных бурильных труб / А. И. Белый, Г. Г. Кузьмин // Автоматическая сварка. - 1978. - №9. - С. 44-46.

20. Кудинов, В. Д. Наплавка композиционным сплавом деталей металлургического оборудования / В. Д. Кудинов, Б. В. Филимонов,

C. А. Шевцов // Автоматическая сварка. - 1985. - № 5. - С. 48-50.

21. Киселев В. С., Радченко М. В. Создание информационно-измерительной системы диагностики сверхзвуковой газопорошковой наплавки покрытий на основе никеля и технических алмазов // Сварка и диагностика - 2013 — № 5 -с. 50-53.

22. А.Н. Пурехов, В.Н. Лозинский, С.Г. Суслин. Новые технологии и материалы для восстановления и упрочнения деталей подвижного состава /

A.Н. Пурехов, В.Н. Лозинский, С.Г. Суслин // ПОЛЗУНОВСКИЙ АЛЬМАНАХ №1 - 2. - 2007 - с. 140 - 142.

23. Сафонов А.Н. Микроструктура никельхромборкремниевых сплавов, наплавленных с помощью лазерного излучения // Сварочное производство. 1990. № П. —С. 34—36.

24. Bouaifî, В. Achutzscichten mit beanspruchungsgererechter Hartstoffeinlagerung / В Bouaifî, A. Gerbert, I. Aydin / Schweiben und Schneiden. Vortrange der gleichnamigen Groben Schweibtechnischen Tagung in Essen. - Vom. 12. - DVS 237. - Dusserldorf. - 2005. - S. 332-337.

25. Перемиловский, И. А. Жаропрочные сплавы для наплавки лопаток авиацинных турбин и исследование свойств наплавленного металла / И. А. Перемиловский //Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл. - К.: Наукова думка, 1977. - С. 131-135.

26. ТУ 48-19-383-91. Порошки для наплавки и напыления. Технические условия. - М.: Торезтвердосплав, 1991.

27. Р. Киффер Ф. Бенезовский. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ / Р. Киффер Ф, Бенезовский. - М. Металлугия, 1971. - 384 с.

28. Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов, и их сплавов / Акулич Н.В. - Г.: Гомель - 2008. - 270с.

29. Арзамасов Б.Н. Материаловедение / Арзамасов Б.Н. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана - 2008. - 648 с.

30. Кудинов, В. В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий /

B. В. Кудинов, В. М. Иванов. -М.: Машиностроение, 1981. - 192 с.

31. Определение критерия оптимизации процесса напыления никелевых самофлюсующихся сплавов / С. М. Гершензон [и др.] // Теория и практика сварочного производства: Межвузовский сборник. - Свердловск: УПИ им.

C. М. Кирова, 1986. - С. 87-90.

32. Ощепков, Ю. П. Особенности структурообразования сплавов системы Ni-

Cr-B-C-Si при индукционной наплавке / Ю. П. Ощепков, Н. В. Ощепкова //

Металловедение и термическая обработка. - 1979. - №10. - С. 14-17.

117

33. Лившиц, Л. С. Основы легирования наплавленного металла / Л. С. Лившиц, Н. А. Гринберг, Э. Г. Куркумелли - М.: Машиностроение, 1969. -188 с.

34. Линник, В. А. Современная техника газотермического нанесения покрытий / В. А. Линник, П. Ю. Пекшев. - М.: Машиностроение, 1985. - 128 с.

35. Лазерная наплавка цилиндрических деталей порошковыми материалами / О. А. Величко [и др.] // Автоматическая сварка. - 1990. -№1. - С.59-61.

36. Структура и свойства износостойких покрытий полученных способом плазменно-дуговой технологии / Л. С. Лившиц [и др.] // Трение и износ. - 1990. - Т. 1. - № 2. - С. 259.

37. Пантелеенко, Ф. И. Влияние структуры защитных покрытий на их износостойкость / Ф. И. Пантелеенко, Л. Г. Ворошин, С. Н. Любецкий // Трение и износ. - 1991. - Т. 12. - № 2. - С. 310-314.

38. Сбриджер, А. Г. Структура и свойства покрытий из самофлюсующихся сплавов / А. Г. Сбриджер // МиТОМ. - 1987. - №4. - С.42-44.

39. Пантелеенко, Ф. И. Влияние структуры защитных покрытий на их износостойкость / Ф. И. Пантелеенко, Л. Г. Ворошин, С. Н. Любецкий // Трение и износ. - 1991. - Т. 12. - № 2. - С. 310-314.

40. Задиранов, А. Н. Теоретические основы кристаллизации металлов и сплавов / А. Н. Задиранов, А. М. Кац. - М.: Издательство Российский университет дружбы народов, 2007. - 228с.

41. Гольдштейн, Я. Е. Модифицирование и микролегирование чугуна и сталей / Я. Е. Гольдштейн, В. Г. Мизин. - М.: Металлургия, 1986. - 272 с.

42. Трошков, А. С. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама/ А. С. Трошков//ПОЛЗУНОВСКИЙ АЛЬМАНАХ. - 2009. - №2. - С. 72-75

43. Зорин, И. В. Исследование структуры и свойств наплавленного алюминида никеля Ni3Al, легированного нанодисперсными карбидами вольфрама / И. В. Зорин, Г. Н. Соколов, В. И. Лысак // ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. -2012.-№2.-С. 21-27

44. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама / Г. Н. Соколов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. - 2009. - №6. - С. 18-25.

45. Артемьев, А. А. Исследование структуры и износостойкости наплавленного металла, упрочненного гранулами диборида титана /

A. А. Артемьев, Ю. Н. Дубцов, Г. Н. Соколов // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. научн. ст. -Волгоград: ИУИЛ ВолгГТУ, 2010 - Сер. Проблемы материаловедения, сварки прочности в машиностроении. - Вып. 4. - № 4(4). - С. 34-36.

46. Кривоносова, Е. А. Модифицирование и формирование структуры металла сварных швов низкоуглеродистых сталей: дис. ... докт. техн. наук: 05.03.06 / Кривоносова Екатерина Александровна. - Пермь. - 2005. - 266 с.

47. Авраамов, Ю. С. Сварка и модификация поверхности металлических композиционных материалов / Ю. С. Авраамов, И. Н. Шиганов, А. Д. Шляпин.

- М.: ГИНФО, 2002. - 120 с.

48. Трошков, А. С. Структура и свойства низкоуглеродистого металла, наплавленного под керамическим флюсом, содержащим композиционные микрогранулы Ni-нанодисперсный WC / Г. Н. Соколов, С. С. Сычева,

B. И. Лысак // Известия Волгоградского государственного технического университета.-2012.-Т. 9.-№ 6.-С. 187-190.

49. Электрошлаковая наплавка термостойкого сплава на основе Ni3Al на сталь с целью упрочнения инструмента для горячего деформирования сталей / Г. Н. Соколов [и др.] // Вопросы материаловедения. - 2004. - № 2. - С. 87-98.

50. Петров, Г. Л. Теория сварочных процессов / Г. Л. Петров, А. С. Тумарев.

- М.: Высшая школа, 1967. - 252 с.

51. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. -544 с.

52. Голиков, И. Н. Дендритная ликвация в сталях и сплавах / И. Н. Голиков,

C. Б. Масленников. - М.: Металлургия, 1977. - 244 с.

53. Физическое металловедение: Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми свойствами / Под ред. Кана Р.У., Ханзена П.М. - М.: Металлургия, 1987 - Т 2. - 624 с.

54. Оно, А. Затвердевание металлов / А. Оно. - М.: Металлургия, 1980. - 152 с.

55. Мовчан, Б. А. Границы кристаллитов в литых металлах и сплавах / Б. А. Мовчан. - Киев: Техника, 1970. - 212 с.

56. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / В. Н Волченко [и др.]; под ред. В. В. Фролова. - М.: Высш. шк., 1988. - 559 с.

57. Фридман, Я. В. Строение и анализ излома металлов / Я. В. Фридман, Т. А. Гордеева, А. М. Зайцев. - М.: МАШГИЗ, 1960. - С. 12.

58. Синдо, Д. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия / Д. Синдо, Т. Оикава. - М.: Техносфера, 2006. - 255с.

59. Уикли, Б. Электронная микроскопия для начинающих / Б. Уикли. - М.: Мир, 1975.-С. 25.

60. Князьков К.В., Радченко М.В. и др. Регулируемое упрочнение в процессе плазменно- порошковой наплавки бронзы модифицированной наноразмерными частицами / Князьков К.В., Радченко М.В. и др. // Ползуновский альманах-2012.-№ 1 - С. 184-186.

61. Болдырев, А. М. Исследование путей повышения эффективности модификаторов в сварочной ванне / А. М. Болдырев, А. С. Петров, Э. Б. Дорофеев // Тезисы докладов межотраслевой республиканской научно-технической конференции. - Ч. I. Вильнюс, 1977. - С. 25-32

62. Гущин, Д. А. Анализ и поиск перспективных направлений комплексного модифицирования металла сварных швов при автоматической сварке под флюсом мостовых металлоконструкций / Д. А. Гущин, В. Г. Гребенчук, И. В. Гребенчук // Научные труды ОАО ЦНИИС: Современные решения обеспечения безопасности мостов. - М., 2011. - Вып. 261. - С. 18-25.

63. Авакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Авакумов. - Новосибирск, 1980. - . 297с.

64. Исследование процесса измельчения в вибромельнице / А. А. Александровский [и др.]. - Изд. вузов. Химия и хим. технология, 1979. -Т.22. - № 1.С. 97-100.

65. Авакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Аввакумов. - Новосибирск, 1980, - 297 с.

66. Ходаков, Г. С. Физика измельчения / Г. С. Ходаков. - М.: Наука, 1972. -307 с.

67. Гладкий, П. В. Плазменная наплавка / П. В. Гладкий, Е. Ф. Переплетчиков, И. А. Рябцев. - Изд-во «Екотехнолопя», 2007. - С. 64-72.

68. ГОСТ 28844-90 Покрытия газотермические упрочняющие и восстанавливающие. Общие требования. - Введ. 1992-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2004. - 11с.

69. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний / Степнов М.Н. - М.: Машиностроение. - с. 225

70. Нефедов, Б. Б. Расчет на персональной ЭВМ плазменно - порошковой наплавки / Б. Б. Нефедов // Сварочное производство. - 1997. - №6, - С. 2-6.

71. Балановский, А. Е. Плазменные технологии в промышленности: состояния и перспективы / А. Е. Балановский // Заготовительное производство в машиностроении. - 2007. -№6. - С. 22-26.

72. Петров, А. В. Плазменная сварка / А. В. Петров // Итоги науки и техники. Сварка. - ВИНИТИ АН СССР, 1980 - Т. 12. - С. 53-109.

73. Marchandise, H. Plasmatechnologie - Grundagen und Anwendung / H. Marchandise // DVC - Berichte 8. - Dusseldorf, 1970. - S. 166.

74. Кулагин, И. Д., Николаев А.В. Обработка материалов дуовой плазменной струей / И. Д. Кулагин, А. В. Николаев. - М.: ИМЕТ им. А.А. Байкова АН СССР, 1960.-31 с.

75. Нефедов, Б. Б. Расчет на персональной ЭВМ плазменно-порошковой наплавки / Б. Б. Нефедов // Сварочное производство. - 1997. - №6. - С. 2-6.

76. Нефедов, Б. Б. Расчет режимов плазменно-порошковой наплавки /

Б. Б. Нефедов. - М.: ЦНИИТУВИД, 1992, - С. 30.

121

77. Гладкий, П. В. Математическое моделирование нагрева порошка в дуге при плазменной наплавке / П. В. Гладкий, А. В. Павленко, А. Т. Зельниченко // Автоматическая сварка. - 1989. - № 11. - С. 17-21.

78. Русаков, А. А. Рентгенография металлов / А. А. Русаков - М.: Атомиздат, 1977.-479 с.

79. Смирнов, А. Н. Современное методическое обеспечение для оценки состояния металла потенциально опасного оборудования. Часть 1. Микроскопия и рентгеноструктурный анализ / А. Н. Смирнов [и др.] // Вестн. КузГТУ, 2010. - №4. - С. 62-68.

80. ГОСТ 27674-88 Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. -Введ. 01.01.89. - М.: Изд-во стандартов, - С. 4 - 5.

81. ГОСТ 17367-71 «Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы». - Введ. 1971. - М.: Изд-во стандартов, 1972. - С. 2.

82. ГОСТ 6996-66. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - Введ. 1967-01-01. - М.: Изд-во стандартов. - С. 11 - 18.

83. Структурно-фазовое состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях системы №-Сг-В-8ьРе/\УС и в покрытиях модифицированных наноразмерными частицами АЬОз Часть 2. Фазовый состав исследованных покрытий / Смирнов А.Н., [и др.] // Вестник КузГТУ -2012-№5(93). С. 87-91.

84. Структурно-фазовое состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях, модифицированных наноразмерными частицами АЬОз / А. Н. Смирнов [и др.] // Вестник Кузбасского государственного технического университета - 2012. - № 4(92) - С. 92-96.

85. Структурно-фазовое состояние и поля внутренних напряжений в износостойких покрытиях системы 1ЧиСг-В-5ьРе/\¥С и покрытиях модифицированных нанодисперсными частицами АЬОз. / М. В. Радченко [и др.] // Вестник КузГТУ - 2012 - №4(92) - С. 106-111.

86. Влияние нанодиеперстных частиц AI2O3 на структурно-фазовое состояние покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC, полученных плазменно-порошковой наплавкой / А. Н. Смирнов [и др.] // Сварка и диагностика - 2012 - № 5 - с. 32 -37.

87. Структурно-фазовое состояние и ноля внутренних напряжений в износостойких покрытиях, модифицированных наноразмерными частицами АЬОз.часть 3. Структура, фазовое состояние и поля внутренних напряжений в исследованных образцах / А. Н. Смирнов [и др.] // Вестник КузГТУ - 2012 — № 6 (94) - С. 75-79.

88. B.C. Комбалов. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008. - 384 с.

89. Тарасов, В.В. Определение показателя повторяемости методик проведения испытаний материалов на износ / С.Ю. Лоханина, А.В. Чуркин, Ю.В. Пузанов //Интеллектуальные системы в производстве. -2008. -№ 2 (12). - С. 102 - 105.

90. Исследование износостойкости упрочняющих покрытий системы Ni-Cr-B-Si-Fe/WC модифицированных AI2O3 / К. В. Князьков, [и др.] // Ползуновский альманах-012-№ 1 - С. 169-171.

91. Веселков, В. Д. Опыт повышения эффективности сварочного производства / В. Д. Веселков. - Л.: Судостроение, 1978. - 152 с.

92. Петров И. В. Износостойкая наплавка в ремонте машин Техника в сельском хозяйстве / Петров И. В. - Москва "Агропромиздат" — 1988.-76 с.

93. Разработка комплекса средств технической диагностики, восстановления и упрочнения элементов горнодобывающего оборудования / Никитенко М.С., Князьков К.В., [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) - 2013 - № S6 - С. 447- 456.