Прогресс в современном машиностроении во многом определяется способностью материала деталей машин противостоять в процессе эксплуатации всё более возрастающим по мере совершенствования изделий различного вида нагрузкам. В связи с тем, что около 90% машин и агрегатов выходят из строя по причине износа, а расходы на ремонт постоянно увеличиваются, решению проблемы упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей придаётся огромное значение. Использование системы регламентных ремонтных работ с заменой наиболее изношенных деталей на новые значительно удорожает эксплуатацию, приводит к простоям. Применение дорогостоящих конструкционных материалов со специальными свойствами, различных видов химико-термической обработки или наплавки часто бывает нецелесообразным или невозможным. Одним из перспективных путей увеличения ресурса работы наиболее нагруженных деталей и узлов может быть использование защитных покрытий различного назначения, наносимых детонационным методом. Детонационные покрытия, являясь разновидностью газотермических покрытий, благодаря наиболее высоким характеристикам, находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. В связи с этим возникает необходимость в более глубоком изучении и развитии технологии детонационного напыления, расширении круга решаемых с ее помощью задач.
Одной из основных проблем в легкой промышленности является увеличение ресурса работы деталей машин и агрегатов с помощью использования недорогих и эффективных методов упрочнения наиболее изнашиваемых рабочих поверхностей, а также их восстановления при ремонте. В данной отрасли весьма остро стоит проблема износа оборудования, многие элементы которого работают при высоких скоростях скольжения в контакте с полимерными материалами, значительных инерционных и знакопеременных нагрузках, часто в условиях абразивного трения и ограниченной подачи смазки. Применение детонационного нанесения покрытий для этих целей может оказаться весьма перспективным направлением. Небольшие габаритные размеры большинства деталей, сложная конфигурация и относительно высокая точность изготовления обусловливают целесообразность применения детонационного напыления. Прочность сцепления напылённого слоя с подложкой может достигать 200−250 МПа при его толщине до 2,0−2.5 мм, а твёрдость не уступать или превосходить первоначальную твёрдость напыляемой поверхности. Благодаря циклическому характеру процесса, температура нагрева детали значительно ниже уровня структурных изменений, исключается её перегрев и, следовательно, коробление, потеря свойств, получаемых при термообработке.
Вместе с тем, использование дорогостоящих исходных порошковых материалов, оправданное для решения аналогичных задач в других отраслях, мало приемлемо в данной области машиностроения. Решение вопросов поиска недорогих и недефицитных материалов покрытий без существенного снижения их характеристик, удешевления процесса в целом является весьма важной проблемой. Значительная номенклатура деталей, которые могут упрочняться или восстанавливаться детонационным методом, необходимость получения экономического эффекта требуют сокращения сроков разработки и внедрения технологических процессов напыления. Для этого необходимо найти методики для оперативного анализа энергетического состояния частиц выбранного порошкового материала, структурно-фазовых изменений в нём во время разгона и нагрева, а также на этапе формирования слоя. Проведение такой предварительной расчетной оценки уровня скоростей, температуры и агрегатного состояния частиц позволит значительно сократить и облегчить работу по поиску оптимальных режимов процесса, избежать в значительной степени дорогостоящих экспериментальных работ. Покрытия из альтернативных порошковых материалов, например оксида алюминия, композиции из чугуна и стали, имеют более низкие характеристики по сравнению с покрытиями на основе карбида вольфрама или карбида хрома. Для повышения качества таких покрытий до уровня твердосплавных требуется исследовать возможности дальнейшего увеличения скорости частиц при подлёте к подложке, изучить процессы структурно-фазовых изменений в напыляемом материале, исследовать влияние различных факторов на их протекание. Желательно разработать способы управления этими процессами. Дополнительные возможности для удешевления процесса может дать переход от ацетилено-кислородных взрывчатых смесей на смеси пропан-бутана с кислородом, а также замена азота на сжатый воздух. Решение этих вопросов потребует проведения соответствующих работ. Таким образом, для широкого использования детонационного напыления в решении проблемы повышения ресурса оборудования лёгкой промышленности необходима его адаптация к специфике данной отрасли, то есть проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих успешно решать вопросы целесообразности применения данного метода для большинства конкретных деталей.
Настоящая работа посвящена решению проблемы упрочнения и восстановления наиболее нагруженных и изнашиваемых деталей и узлов оборудования лёгкой промышленности методом детонационного нанесения износостойких покрытий. Учитывая особенности условий эксплуатации, основные причины выхода из строя, а также конструктивную специфику изделий данной области машиностроения, для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
— анализ условий работы и причин потери работоспособности деталей и узлов оборудования лёгкой промышленности;
— обзор возможных способов упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей и обоснование выбора метода детонационного напыления покрытий;
— изучение и выбор наиболее приемлемых методов расчета энергетических характеристик частиц напыляемого порошка;
— изучение процессов структурно-фазовых изменений, протекающих при формировании покрытий из композиционных порошков типа WC-Co- -выбор методики и экспериментальное исследование процесса разгона частиц в стволе детонационной установки;
— исследование влияния энергетических характеристик частиц на качество получаемых покрытий;
— исследование возможности использования пересжатых детонационных волн для повышения скорости и температуры частиц порошка;
— исследование влияния способа получения порошка на фазовый состав покрытий и определение основных требований к исходным порошкам для детонационного напыления;
— исследование зависимости структуры покрытия и его эксплуатационных свойств от основных параметров процесса;
— разработка методов управления структурно-фазовыми процессами при i напылении покрытий;
— разработка мероприятий по снижению себестоимости напыляемых покрытий;
— разработка методологии внедрения серийного упрочнения и восстановления деталей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также разработки и внедрения технологических процессов напыления, выполненных в рамках данной работы, можно сделать следующие выводы.
Анализ конструкционных особенностей, условий эксплуатации и причин потери работоспособности деталей машин и агрегатов лёгкой промышленности, а также изучение возможности их упрочнения и восстановления различными методами показали, что детонационное напыление может весьма успешно применяться для решения данной проблемы. Благодаря наиболее высоким характеристикам (прочность сцепления с подложкой до 250−280 МПа) детонационное напыление может быть предпочтительным для упрочнения и восстановления наиболее ответственных и нагруженных деталей и узлов. Однако для более широкого и успешного применения этой технологии необходимо её дальнейшее развитие — доработка и адаптация к условиям данной отрасли машиностроения, которые предполагают:
— использование недорогих и недефицитных исходных порошковых материалов;
— повышение качества покрытий до уровня покрытий из традиционных материалов (на основе карбида вольфрама), т. е. изыскание дополнительных возможностей данной технологии напыления и путей её совершенствования;
— разработка серийных технологических процессов напыления на значительную номенклатуру деталей и сокращение сроков внедрения- -увеличение производительности процесса. В результате обзора литературных источников, а также выявления наиболее значимых факторов технологического процесса с помощью полученной линейной математической модели установлено, что для увеличения прочности сцепления покрытий с напыляемой поверхностью необходимо дальнейшее повышение энергетических характеристик частиц, а также управление процессами химического взаимодействия напыляемого материала с продуктами детонации и окружающей средой.
4) Для эффективного поиска путей увеличения скорости частиц выбрана математическая модель процесса, позволяющая производить численные расчеты разгона и разогрева частиц в стволе детонационной установки с погрешностью менее 10%.
5) Для оперативной оценки скорости частиц на выходе из ствола и предполагаемой прочности адгезии покрытия при разработке технологических процессов освоен приближенный аналитический метод (авторы — Т. П. Гавриленко, Ю.А. Николаев), с помощью которого определены оптимальная форма и размеры ствола детонационной установки АДУ-Зсл.
6) На основании обзора и опробования ряда методик экспериментального определения скорости и температуры частиц порошка в потоке газа за детонационной волной подобран метод быстродействующей лазерной визуализации и многолучевой пирометрии, практически не оказывающий воздействия на исследуемый объект, имеющий высокую чувствительность и обладающий высокой точностью. Относительная погрешность измерения скорости частиц размером ~ ЮОмкм не превышает 3%.
Зарегистрировано дробление первоначально твердых частиц разгоняемых продуктами детонации, указывающее на достижение ими температуры плавления.
Результаты экспериментального определения скорости частиц подтверждают расчетные данные, что говорит о достоверности выбранной математической модели.
7) Исследование свойств покрытий, полученных при различных энергетических уровнях частиц, показало, что скорость и температура являются важнейшими факторами, определяющими прочность сцепления и пористость.
8) Установлено, что применение пересжатых детонационных волн позволяет существенно увеличить скорость частиц. Применение стволов различной конструкции для использования эффекта пересжатия позволило увеличить прочность адгезии покрытия из порошка ВК-20 с грануляцией < ЮОмкм более, чем на 70% по сравнению с гладким стволом, пористость снизилась в 2−3 раза. Эффект повышения характеристик покрытия подтверждается результатами металлографических исследований.
Использование пересжатых детонационных волн может быть перспективным направлением в развитии технологии детонационного напыления, так как позволяет существенно изменить свойства покрытий по сравнению с традиционным способом. Особенности протекания процесса при этом могут быть успешно использованы для целевого получения ряда свойств покрытий, а также для создания оборудования с уменьшенными габаритами.
9) Исследование структурно-фазовых изменений в напыляемом материале показали, что в большинстве случаев они оказывают решающее влияние на качество получаемого покрытия. Протекание этих процессов определяется:
— видом порошкового материала (составом композиции);
— способом получения порошка;
— режимами процесса напыления.
10) Исследование свойств покрытий из порошков на основе карбида вольфрама с различным содержанием кобальта (от ВК-10 до ВК-90) показали, что наибольшей прочностью адгезии обладают покрытия, получаемые из порошков с содержанием кобальта 20%-25% масс.
11) Установлено, что способ изготовления композиционных порошков оказывает решающее влияние на ход структурно-фазовых процессов, происходящих в напыляемом материале. Покрытия на основе карбида вольфрама из порошков, полученных методом сфероидизации, обладают наиболее высокой прочностью адгезии с подложкой и твердостью. Это объясняется тем, что растворение WC в Со (Ni) частично происходит уже при получении порошка. Во время напыления этот процесс продолжается, в результате чего твердый раствор имеет максимальную степень насыщения.
Помимо растворения карбида вольфрама в кобальте, при напылении под воздействием окислительной среды протекает процесс распада монокарбида WC-* W2 С-" W, оказывающий негативное влияние на качество напыляемого покрытия. Кроме того, образуются хрупкие двойные карбиды C03W3C (т|'-фаза) также ухудшающие свойства напыленного слоя. В порошках, полученных методом сфероидизации, карбидная составляющая лучше защищена металлической оболочкой от окисляющего воздействия продуктов детонации и атмосферы, поэтому процесс обезуглероживания проходит менее интенсивно.
Режимы процесса напыления также оказывают существенное влияние на структурно-фазовый состав покрытий и, следовательно, на их свойства. Наиболее сильно на структуру покрытия влияют:
— состав рабочей смеси газов;
— место ввода порошка в ствол;
— степень заполнения ствола рабочей смесью.
На основе зависимости структуры покрытия от состава рабочей газовой смеси, разработан метод управления структурно-фазовыми превращениями в напыляемом материале на основе АЬОз и Ni путем непрерывного изменения соотношения расходов ацетилена и кислорода в ходе процесса. Получено авторское свидетельство на способ нанесения покрытия с переменной структурой по толщине слоя.
С учетом особых условий применения данной технологии упрочнения и восстановления в лёгкой промышленности предложена специальная методика разработки технологических процессов для серийных деталей, позволяющая значительно сократить сроки внедрения.
Подобраны недорогие и недефицитные порошки из чугуна и стали. Разработана технология напыления покрытий из них. Прочность сцепления с подложкой комбинированных покрытий с подслоем из ВК-25 достигает 200.
250 МПа, твердость по Роквеллу — до 70 единиц. Покрытия из чугунно-стальных композиций могут обрабатываться как шлифовкой корундовыми кругами, так и точением. 17) В целях удешевления метода решена задача замены дорогостоящего ацетилена на пропан-бутан, а также азота на сжатый воздух.
Благодаря всем перечисленным мероприятиям удалось снизить себестоил мость покрытия из чугунно-стальной композиции до 3,2 руб. за 1 см .
