Технологическое обеспечение износостойкого поверхностного слоя пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Игонин, Владислав Анатольевич

• Игонин, Владислав Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Игонин, Владислав Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ. и

1.1 Упрочнение поверхности путем пластического деформирования.

1.2 Упрочнение поверхностей деталей нанесением износостойких покрытии. 1У

1.3 Химико-термические методы упрочнения поверхности.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ПРИ УПЛОТНЕНИИ АБРАЗИВОСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ. ^

2.1 Особенности формования изделий из абразивосодержащих смесей.

2.2 Исследование напряженного состояния уплотняемой массы сыпучего материала.

2.3 Исследование износа боковых пластин штампов при прессовании.

2.4 Определение контактного давления при уплотнении абразивосодержащих смесей в штампе.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ДИФФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ.

3.1 Структура и свойства борированного слоя.

3.2 Теоретическое исследование процесса диффузии бора в поверхность упрочняемой детали.

3.3 Разработка нового состава для порошкового борирования.

3.4 Экспериментальные исследования влияния концентрации диффундирующих элементов и времени насыщения на качественные показатели упрочненного слоя.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПЛАСТИН, УПРОЧНЕННЫХ ДИФФУЗИОННЫМ БОРИРОВАНИЕМ.

4.1 Изменение микрорельефа поверхности и размеров деталей после борирования.

4.2 Влияние технологических факторов на износостойкость образцов после борирования.

4.3 Топографии поверхности износа.

4.4 Исследование износостойкости упрочненного поверхностного слоя в условиях контактного трения.

4.5 Выводы. -[уз

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Технология диффузионного упрочнения пластин штампов для прессования керамических и силикатных материалов.

5.2 Технология восстановления изношенных борированных пластин штампов.

5.3 Технико-экономическая эффективность внедрения новой технологии упрочнения поверхностей пластин штампов борированием.

5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение износостойкого поверхностного слоя пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей»

Повышение качества продукции является необходимым условием развития машиностроения при жесткой конкуренции предприятий.

Работа промышленного оборудования, машин и механизмов сопровождается изнашиванием сопрягаемых деталей, рабочих органов и инструментов. Изнашивание сопровождается изменением формы, размеров и состояния поверхностей деталей, что приводит к снижению функциональных свойств и производительности технологического промышленного оборудования, возрастанию вероятности отказа. До 80 % машин и технологического оборудования выходят из строя вследствие износа трущихся деталей. Износостойкость деталей определяет затраты на поддержание оборудования и машин в работоспособном состоянии, влияет на себестоимость производимой продукции.

Сроки службы деталей машин и механизмов в значительной мере определяются состоянием поверхностных слоев металла. Причины, ограничивающие долговечность деталей, такие как износ, усталостные и коррозионные разрушения, обычно проявляются в поверхностных слоях металла.

Для повышения эксплуатационных свойств деталей в современном машиностроении используются различные технологические методы упрочнения поверхностей.

Технология упрочнения поверхностей деталей направлена на повышение физико-механических свойств поверхностного слоя металла, увеличение поверхностной твердости до заданных значений, формирование остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях деталей, а также уменьшение шероховатости поверхности.

Технологические методы упрочнения поверхностей многообразны. Их можно разделить на несколько групп. К первой группе относится получившее широкое распространение в промышленности упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД). Это накатывание роликами и шариками наружных поверхностей, а также раскатывание и дорнование отверстий, выглаживание обрабатываемой поверхности деформирующим инструментом из твердого сплава или стальной дроби, чеканка при помощи специальных бойков с округленной рабочей частью, упрочнение взрывом и другие методы ППД.

Вторую группу методов упрочнения составляют процессы термической и химико-термической обработки (ХТО).

Широкое применение получили такие методы как поверхностная закалка поверхностей деталей токами высокой частоты или газопламенным нагревом, цементация, нитроцементация, азотирование и борирование для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности деталей; сульфидирование для повышения сопротивляемости трущихся поверхностей схватыванию и задирам, особенно в условиях граничного трения; сульфоцианирование и др.

Третью группу упрочняющих методов составляют различные покрытия, как металлические, так и неметаллические.

Это хромирование для повышения износостойкости и коррозионной стойкости; химическое никелирование для повышения износостойкости преимущественно алюминиевых сплавов; фосфатирование, которое применяют для увеличения антифрикционных свойств и износостойкости подвижных сопряжений; покрытие дисульфидом молибдена также применяют для повышения антифрикционных свойств, например, поршней из алюминиевых сплавов.

Четвертую группу методов упрочнения составляют процессы наплавки и напыления материалов с высокими эксплуатационными характеристиками для повышения износостойкости, например твердыми сплавами стеллитом, сормайтом и др.

Однако, несмотря на большое количество технологических методов для повышения износостойкости поверхностей деталей, проблемный характер носит научно-обоснованный выбор наиболее эффективной упрочняющей технологии и определение режимов упрочнения для получения заданных свойств деталей.

Поэтому совершенствование известных и разработка новых технологических методов, обеспечивающих упрочнение рабочей поверхности и повышение долговечности деталей, работающих в условиях абразивного износа, в частности, пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей, является актуальной научно-технической задачей.

Наиболее эффективным способом для уменьшения абразивного износа при сравнительно малых скоростях скольжения и больших контактных давлениях является повышение поверхностной твердости металла путем борирования в твердой среде (порошкообразной смеси).

Цель диссертационной работы: повышение износостойкости поверхности и долговечности пластин штампов для формования изделий из керамических и силикатных материалов путем упрочнения поверхностного слоя диффузионным порошковым борированием.

Объект исследования — износостойкость пластин штампов для формования изделий из мелкодисперсных абразивосодержащих смесей методом прессования во взаимосвязи с упрочнением поверхностного слоя металла диффузионным борированием.

Предмет исследования - методы и средства технологического обеспечения по достижению износостойкой рабочей поверхности пластин штампов для прессования абразивосодержащих смесей.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием научных положений технологии машиностроения, законов механики сплошных сред и физики граничного трения, теории упругости и пластичности металлов, методов математического моделирования и теории многофакторного планирования эксперимента.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на современных персональных компьютерах с использованием программного пакета МаШСАГ) и других стандартных и специально разработанных программ.

Научная новизна.

1. Выявлены взаимосвязи износостойкости поверхности пластин с режимами и условиями диффузионного упрочнения металла бором, которые позволили определить глубину упрочнения и прогнозировать формирование заданных эксплуатационных характеристик.

2. Впервые установлены взаимосвязи величины и глубины упрочнения металла с продолжительностью диффузионного насыщения поверхности бором для нового состава порошковой смеси (решение о выдаче патента на изобретение).

3. Установлены статистические показатели изменения топографии поверхности боковых и торцевых пластин штампов, упрочненных борированием, после износа, вызванного прессованием абразивосодержащих смесей.

4. Определены показатели качества поверхностного слоя упрочненных борированием пластин, обеспечивающие повышение износостойкости до трех раз по сравнению с закаленными после цементации пластинами при прессовании керамических и силикатных изделий (кирпича).

5. Аналитически решена краевая задача диффузии бора в поверхность упрочняемой пластины, в зависимости от концентрации бора в борсодержащей порошковой смеси, что позволило прогнозировать глубину упрочнения и рекомендовать равномерный нагрев порошковой смеси до начала диффузии для создания в ней однородной концентрации бора.

На защиту выносятся:

1. Аналитические выражения для оценки напряженного состояния уплотняемой при прессовании абразивосодержащей смеси.

2. Для прогнозирования зон интенсивного износа пластин предложена методика определения давления на различные участки пластин при прессовании смеси и выбивке уплотненного брикета материала из штампа.

3. Математические модели взаимосвязи параметров упрочненного слоя с технологическими факторами диффузионного насыщения при борировании.

4. Результаты экспериментальных исследований изменения макрогеометрии пластин при износе с построением топографии поверхности пластин.

5. Результаты сравнительных испытаний износостойкости образцов из конструкционных углеродистых сталей, упрочненных борированием и цементацией, а также изготовленных из закаленной износостойкой легированной стали.

6. Аналитическое решение краевой задачи диффузии бора в поверхность металла в зависимости от концентрации бора в порошковой борсодержащей смеси.

7. Новый состав порошковой смеси для борирования стальных пластин с катализаторами для стабилизации диффузионного процесса при отсутствии, герметизации контейнеров с пластинами.

8. Математическая модель влияния технологических факторов на износостойкость пластин штампов при прессовании.

Практическая ценность: разработана методика прогнозирования предельно допустимого износа пластин штампов; решена задача повышения износостойкости пластин штампов для прессования керамического и силикатного кирпича путем диффузионного борирования; разработан новый состав порошковой, борсодержащей смеси с катализаторами процесса диффузии; предложена технология диффузионного насыщения бором пластин из конструкционной низкоуглеродистой стали, что позволило повысить их долговечность в производственных условиях в 2,5. .3 раза; разработана технология восстановления изношенных пластин штампов шлифованием и повторным борированием; внедрение результатов . исследований на промышленных предприятиях страны позволило получить годовой экономический эффект в размере 225 ООО руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами САБ/САМ/САЕ/РОМ» (Пенза, 2008); Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2009» (Пенза, 2009); Международной научно-практической конференции «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства» (Москва, 2009, 2010); Международной научно-технической конференции «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (Санкт-Петербург, 2010); Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2010); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2007—2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получено решение о выдаче патента по заявке № 2009149278/02(072875) «Порошкообразный состав для борирования стальных изделий».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 43 рисунка и девять таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Игонин, Владислав Анатольевич

Результаты исследования свидетельствуют о небольшом увеличении размеров детали. Основной причиной изменения размеров деталей в процессе борирования является изменение удельного, объема поверхностных слоев металла за счет трансформации кристаллической решетки железа в решетку боридов железа. Бориды железа РеВ и Ре2В имеют различную плотность - 7,15 о и 7,32 г/см , соответственно. Следует отметить, что изменения размеров в результате борирования не превышают изменения размеров при других видах химико-термической обработки, в частности при азотировании. При постоянных параметрах процесса насыщения поверхности металла бором (температура, время, состав порошковой смеси) изменение размеров носит стабильный характер, что позволяет учесть их изменение при проектировании, соответствующими допусками. Установлено, что изменение размеров не столько связано с температурно-временным режимом насыщения, сколько с глубиной и фазовым составом борированного слоя. Кроме того, при прочих равных условиях, изменение размеров зависит от химического состава (марки) стали, так как при одинаковых режимах борирования образуются диффузионные слои различной глубины и фазового состава.

Борирование стальных пластин штампов является финишной операцией. Поэтому диффузионное насыщение пластин необходимо производить с обеих сторон, так как симметричная схема борирования приведет к минимальной величине коробления. При этом, если по каким-либо причинам будет иметь место коробление пластин, то значительная величина допусков на толщину пластины и отклонение от плоскостности (см. рис. А2) позволит не вводить дополнительную механическую обработку.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что пластины штампов, подвергаемые борированию, должны быть изготовлены с шероховатостью соответствующей требованиям чертежа, а размеры некоторых пластин могут быть при необходимости скорректированы с учетом возможности их увеличения после борирования.

4.2 Влияние технологических факторов на износостойкость образцов после борирования

Для оценки износостойкости борированной стали были выполнены экспериментальные исследования на образцах путем моделирования условий износа на машине трения.

На процесс износа оказывает влияние целый ряд факторов. Можно выделить следующие факторы, определяющие процесс износа: частота вращения ротора машины (скорость движения образца); твердость и размеры абразивных частиц; время обработки; физико-механические свойства обрабатываемого материала; исходная шероховатость обрабатываемой поверхности; поверхностно-активные вещества; нагрузка на образцы (определяет величину контактного давления).

Исследование износа проводилось по методике многофакторного планирования экспериментов с построением математической модели процесса.

В результате поисковых однофакторных экспериментов и на основании анализа априорной информации в качестве переменных факторов были приняты:

1) П - частота вращения ротора, мин"1 (скорость движения образца У,м/с);

2) Р- нагрузка, Н (контактное давление, МПа) ;

3) Z - зернистость абразивных частиц, мм;

4) t - время обработки, мин.

В качестве параметра оптимизации для оценки интенсивности износа был принят массовый съем металла Q в миллиграммах, который определялся взвешиванием образцов на аналитических весах АДВ - 20 ОМ до и после износа на машине трения.

В качестве абразивного материала использовалась абразивная шкурка на тканевой основе из электрокорунда нормального марки 15А различной зернистости.

Для определения взаимосвязи параметров процесса износа был реализован полный факторный эксперимент 24 по методике ротатабельного композиционного униформ-планирования [102].

Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице 4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРТИЗЫ

21) Заявка № 2009149278/02(072875)

22) Дата подачи заявки 28.12.2009

24) Дата начала отсчета срока действия патента 28.12.2009

ПРИОРИТЕТ УСТАНОВЛЕН ПО ДАТЕ

22) подачи заявки 28.12.2009

72) Автор(ы) Игонин В.А., Игонин А.И., Соколов В.О., Резник Е.А., 1Ш

73) Патентообладатель(и) Игонии Владислав Анатольевич, ЬШ

54) Название изобретения ПОРОШКООБРАЗНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

ВНИМАНИЕ! С целью исключения ошибок просьба проверить сведения, приведенные в заключении, т.к. они без изменения будут внесены в Государственный реестр изобретений Российской Федерации, и незамедлительно сообщить об обнаруженных ошибках. см на обороте)

01 1

188

Форма № 01а

21)2009149278/02

51) МПК

С23С 8/70 (2006.01)

Порошкообразный состав для борирования стальных изделий, содержащий карбид бора, фтористый натрий, углеродосодержащее вещество, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ВГКЦ -750,5, а в качестве углеродосодержащего вещества древесный угольный карбюризатор при следующем соотношении компонентов, мае. %: Карбид бора 45-65

Фтористый натрий 5-8

ВГКЦ -75-0,5 30-35

Древесный угольный карбюризатор 8-12

56) 811 1712462 А1, 15.02.1992; 8У 1673637 А1, 30.08.1991;

МПК С23С 8/70

ПОРОШКООБРАЗНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Заявляемое изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может быть применено для повышения износостойкости поверхностных слоев сплавов на основе железа в машиностроении, станкостроении, на предприятиях строительной индустрии и в других отраслях промышленности.

Известны составы порошковых насыщающих сред на основе карбида бора, галогенных соединений щелочноземельных металлов в качестве активаторов, наполнителей: окиси алюминия или железной окалины [1,2,3,4].

Основными недостатками известных составов, является необходимость герметизации контейнеров с борируемыми деталями, недостаточная скорость насыщения и снижение насыщающей способности смеси.

Наиболее близким к изобретению является порошкообразный состав для борирования стальных изделий [3], включающий следующие компоненты, масса в %: карбид бора 45-65 фтористый натрий 3-7 железная окалина 20-25 графит 4-8 доломит 7-15

Применяемый порошкообразный доломит содержит М^С03 и СаС03 в процентном отношении (30-70). При нагреве насыщающей смеси, содержащей доломит, происходит его диссоциация:

1) МдС03 распадается на МдО и С02, интервал распада от 590°С до 800°С.

2) СаС03 распадается на СаО и С02, интервал распада от 725°С до 930°С.

При этом положительное влияние газовой фазы (двуокиси углерода С02), которая уменьшает окисление смеси, а также интенсифицирует доставку бора к насыщаемой поверхности изделия, уменьшается с повторным использованием порошкообразного состава, снижая тем самым насыщающую способность смеси.

Техническим результатом является повышение насыщающей способности состава и повышение его технологичности, за счет возможности использования печной атмосферы.

Это достигается тем, что порошкообразный состав содержащий карбид бора и фтористый натрий, согласно предлагаемому изобретению, дополнительно содержит следующие компоненты, масса в %: карбид бора 45-65 фтористый натрий 5-8

ВГКЦ -75-0,5 30-35 древесный угольный карбюризатор 8-12

ВГКЦ-75-0,5 - высокоглиноземистый коррозионно-стойкий цемент на основе алюминатов кальция (ТУ5737-006-00284345-99).