Технология восстановления деталей из коррозионно-стойких сталей оборудования перерабатывающих предприятий апк плазменной наплавкой
На правах рукописи
Маврутенков Андрей Александрович
ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК
ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКОЙ
Специальность 05.20.03. – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном уч реждении высшего профессионального образования «Российский государст венный аграрный заочный университет» (ФГОУ ВПО РГАЗУ) на кафедре «На джность и ремонт машин им. И.С. Левитского».
Научный руководитель: кандидат технических наук Веселовский Николай Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мороз Владимир Петрович кандидат технических наук Коберник Николай Владимирович
Ведущая организация: Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина
Защита состоится «_» 2011 г. в «_» часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.03 в Федеральном государственном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Москов ская область, г. Балашиха, ул. Ю. Фучика, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО РГАЗУ.
Автореферат разослан «»_ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук О.П. Мохова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основная задача агропромышленного комплекса заключается в обеспечении населения страны продовольствием в достаточном количестве и высокого качества, что является залогом продовольственной безопасности государства. Значительная роль в решении этой задачи принад лежит перерабатывающим предприятиям АПК.
Минимизация издержек и обеспечение требуемого качества производи мой продукции возможно только при высокой наджности технологического оборудования, поэтому остаются актуальными исследования, направленные на разработку современных технологических процессов восстановления и упроч нения деталей.
Основная доля быстроизнашивающихся деталей оборудования перераба тывающей промышленности изготавливается из коррозионно-стойких сталей.
Техническое развитие промышленности за счт внедрения современных техно логий, оборудования и материалов приводит к появлению машин, узлов и агре гатов сложной конструкции, включающие в себя детали с высокими характери стиками рабочих поверхностей. Для перерабатывающего оборудования наблю дается тенденция в изготовлении деталей из комбинированных материалов.
Например, деталей из коррозионно-стойких сталей с нанеснными покрытиями на рабочих поверхностях, обладающих высокой износостойкостью и тврдо стью порядка HRCэ 60.
Существующие способы восстановления таких деталей не всегда удовле творяют современным требованиям, в частности, многие из них не обеспечи вают требуемую износостойкость рабочих поверхностей деталей, имеют высо кую себестоимость, восстановленные детали не соответствуют санитарным нормам.
Обеспечение требуемого качества и высокой производительности при восстановлении изношенных деталей возможно только при использовании со временных способов, материалов и оборудования. Одним из прогрессивных способов восстановления деталей является плазменная наплавка, которая по зволяет использовать различные наплавочные материалы с обеспечением тре буемых характеристик восстановленных поверхностей.
Цель работы. Разработка технологии восстановления рабочих поверхно стей высокой тврдости деталей из коррозионно-стойких сталей плазменной наплавкой.
Объект исследования. Технология восстановления изношенных деталей оборудования перерабатывающих предприятий АПК из коррозионно-стойких сталей с рабочими поверхностями высокой тврдости плазменной наплавкой.
Предмет исследований. Закономерности процесса наплавки деталей из коррозионно-стойких сталей, наплавочные материалы, характеристики плаз менной струи, конструкция плазмотрона для порошковой наплавки на постоян ном токе обратной полярности.
Достоверность результатов исследований подтверждается использова нием стандартных, общепринятых методов исследований, современных кон трольно-измерительных приборов, оборудования и инструментов, применением математической обработки информации, достаточной сходимостью и повтор ностью экспериментов, стендовыми и эксплуатационными испытаниями.
Научную новизну работы составляют: аналитическая зависимость теп лофизических параметров плазменной струи от интенсивности закрутки газа в плазмообразующем сопле;
состав порошковых смесей на основе ПР-НХ17СР4;
геометрия, структура и механические свойства наплавленных слов в зависи мости от режимов и состава присадочного материала.
Практическая ценность. Разработана технология восстановления дета лей из коррозионно-стойких сталей на примере шнека сепарационного ком плекта SM 210 плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности, обеспечивающая ресурс восстановленных деталей не ниже ресурса новых. Предложена схема и комплектация установки для автоматической на плавки шнеков, позволяющая сократить время наплавки в 2…3 раза по сравне нию с ручными способами наплавки.
Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ЗАО НПО «Техноплазма», г. Балашиха и в учебный процесс ФГОУ ВПО РГАЗУ.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитическая зависимость теплофизических параметров плазменной струи от интенсивности закрутки газа в плазмообразующем сопле.
2. Результаты экспериментальных исследований коррозионной стойкости, износостойкости, тврдости, структуры, состава наплавленного металла, влия ния режимов наплавки на формирование покрытия.
3. Результаты оптимизации параметров режима наплавки.
4. Технология восстановления деталей из коррозионно-стойких сталей плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности (на примере шнека сепарационного комплекта SM 210).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до ложены на Международной научно-технической конференции «Научные про блемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2009 г.), научно-практической конференции «Славяновские чтения» (Липецк, 2009 г.), научно-практических конференциях РГАЗУ (Балашиха, 2007…2010 г.), расширенном заседании ка федры надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского в 2011 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных статей, в том числе 4 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, пя ти глав и общих выводов. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 50 рисунков, список использованной литературы из 102 наименований и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложена цель, определены объект и предмет исследования, сформулирована научная новизна и определена практическая значимость работы.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» на основа нии анализа оборудования перерабатывающих производств установлено, что основная доля быстроизнашивающихся деталей изготавливается из коррозион но-стойких сталей.
Восстановление деталей из коррозионно-стойких сталей возможно раз личными способами. Рассматривая применяемые детали в технологическом оборудовании перерабатывающих предприятий, характер изнашивания и зна чения их износов определено, что наиболее эффективным является восстанов ление деталей наплавкой.
Анализ трудов А.Е. Вайнермана, А.И. Сидорова, В.М. Кряжкова, Б.Б. Не фдова, О.Е. Шевченко, В. И. Астахина, И. К. Горбатенкова, С. И. Пулатова, Ю.И. Эпштейн, Гумировой Ф.И. и многих других показал эффективность при менения плазменной наплавки для восстановления изношенных деталей. По сравнению с распространнными способами наплавки плазменная наплавка имеет следующие преимущества:
более высокая производительность;
возможность автоматизации процесса с обеспечением стабильного ка чества наплавленных слов;
низкая степень перемешивания основного и наплавочного материалов;
более широкая возможность по регулированию тепловой мощности.
В настоящее время разработано широкое многообразие способов плаз менной наплавки. Учитывая, что при наплавке деталей из коррозионно-стойких сталей не допускается перегрев металла, приводящий к межкристаллитной корро зии и охрупчиванию зоны термического влияния, определено, что наиболее целе сообразным является применение плазменно-порошковой наплавки на посто янном токе обратной полярности. Применение порошковых материалов обу словлено широкими возможностями по регулированию легирования и геомет рии наплавленного металла. Обратная полярность при наплавке позволяет:
уменьшить тепловложение в наплавляемую деталь;
уменьшить перемешивание основного и присадочного материалов;
улучшить адгезию за счт катодного распыления оксидных плнок;
уменьшить выгорание легирующих элементов.
Для разработки технологии восстановления выбран шнек сепарационного комплекта SM 210 производства французской фирмы AM2C. Выбор данной де тали обусловлен тем, что в настоящее время на перерабатывающих предпри ятиях АПК используется большое количество импортного оборудования. Вос становление деталей такого оборудования значительно усложнено по причине отсутствия документации по конструктивным особенностям, схем сборки и применяемым материалам.
Выбранная деталь работает в составе сепаратора SM 210. Сепаратор представляет собой одношнековый ситчатый отжимной пресс, в основном предназначенный для переработки мяса птицы. Сепаратор осуществляет меха ническую обвалку, т.е. отделение мясной от костной составляющих.
При эксплуатации изнашивается наружная поверхность шнека. Тврдость рабочей поверхности составляет 58…60 HRCэ.
Для достижения поставленной цели были определены следующие основ ные задачи исследования:
выбрать порошковые материалы, позволяющие получать наплавлен ные слои с требуемыми физико-механическими свойствами;
разработать установку для автоматической плазменно-порошковой наплавки шнеков на постоянном токе обратной полярности;
определить оптимальные режимы и условия наплавки;
провести экспериментальные исследования слов наплавленных плаз менно-порошковой наплавкой на токе обратной полярности;
провести эксплуатационные испытания восстановленных деталей;
разработать технологию восстановления деталей из коррозионно стойких сталей плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности;
определить технико-экономическую эффективность применения новой технологии.
Во второй главе «Теоретическое обоснование плазменной наплавки на постоянном токе обратной полярности» проведн анализ выпускаемых отечест венной промышленностью порошковых материалов для наплавки. Присадоч ным материалом, разрешнным для применения в контакте с пищевыми среда ми, который обеспечивает высокую твердость, является самофлюсующийся по рошок марки ПР-НХ17СР4. Однако имеющийся опыт восстановления деталей с применением данного материала показал, что ресурс восстановленных деталей не превышает 60…70% ресурса новых. Для повышения ресурса восстанавли ваемых деталей, за счт увеличения износостойкости, необходимо дополни тельно ввести в присадочный материал элементы, образующие тврдые вклю чения. Такие элементы имеют серийно выпускаемые порошки карбида хрома КХП-II, борида хрома БХ-2 и быстрорежущей стали Р6М5Ф3.
До настоящего времени плазменная наплавка на постоянном токе обрат ной полярности применялась в основном только для восстановления деталей из алюминиевых сплавов. Наплавка на токе обратной полярности ограничена воз действием высокой тепловой нагрузки на анодный узел плазмотрона. Это обу словлено физической особенностью плазменной струи, заключающейся в том, что на аноде выделяется большее количество теплоты, чем на катоде. Поэтому для наплавки на токе обратной полярности применяются достаточно сложные конструкции плазмотронов, зачастую не обеспечивающие требуемые режимы по токовой нагрузке, либо имеющие низкий ресурс и производительность.
По результатам анализа выпускаемых плазмотронов установлено, что для плазменной сварки разработана конструкция модели «КАБ» производства ОАО «Криогенмаш», которая характеризуется высоким ресурсом работы с диа пазоном токовых нагрузок от 60 до 400 А. Однако для сварки необходима вы сокая концентрация энергии, а для наплавки высокая концентрация плазменно го потока оказывает негативное влияние (увеличивается степень перемешива ния основного и наплавляемого металлов, создаются неблагоприятные условия для формирования наплавленного слоя). Качество наплавленных покрытий по лучается более высоким при работе на средних и мягких режимах.
Основной теплообмен между плазменной струй и обрабатываемой по верхностью происходит в области пятна нагрева. Интенсивность теплового по тока в центре пятна нагрева определяется известным выражением:
k q1m q, (1) где q1m – максимальная линейная интенсивность теплового потока, Вт/см;
q – эффективная тепловая мощность источника, Вт;
k – коэффициент сосредо точенности теплового потока, см-1.
В случае наплавки плазменной струй эффективная тепловая мощность определяется выражением:
q 0,24UI, (2) где – к.п.д. плазменного нагрева изделия;
U – напряжение дуги, В;
I – ток ду ги, А.
С учтом допущений, что основной вклад в тепловой поток вносят тяж лые частицы при постоянном статическом давлении в струе, максимальная ли нейная интенсивность теплового потока определяется по формуле:
i q1m PVп, (3) где i – число степеней свободы молекулы плазмообразующего газа (для аргона i = 3);
P – статическое давление в струе, Па;
Vп – скорость истечения плазмен ной струи, см/с.
Переход из газообразного состояния в плазму сопровождается увеличе нием температуры, скорости движения, давления и плотности газа. Рассмотрим преобразование энергии одной и той же массы газа. Для этого воспользуемся обобщнным уравнением Бернулли, связывающим скорость движения газа V с его плотностью и давлением p с учтом производимой газом технической ра боты L, изменения потенциальной энергии g(z2 – z1) и работы сил трения Lтр.
V 2 V12 dp g ( z 2 z1 ) Lтр, L 2 (4) 2 В случае перехода газа в плазму можно использовать упрощнное урав нение Бернулли, соответствующее режиму, когда отсутствует техническая ра бота L = 0, нет гидравлических потерь Lтр = 0 и запас потенциальной энергии не изменяется z1 = z2. Для этого режима уравнение Бернулли запишем в следую щей форме:
Vг2 dp Vп, (5) где Vг – осевая скорость истечения газа в сопле, см/с;
Vп – скорость плазменного потока, см/с.
Используя формулы (1), (2), (3), (5) получаем зависимость коэффициента сосредоточенности от энергетических параметров плазменной струи и скорости и истечения газа в плазмообразующем сопле:
dp iP Vг k, (6) 0,48UI В плазмотронах с тангенциальной подачей, газ податся в плазмообра зующее сопло по винтовой траектории (рис. 1).
Рисунок 1 – Траектория движения газа в канале плазмотрона V – скорость истечения газа, Vг – осевая составляющая ско рости истечения газа, – угол наклона винтовых канавок По результатам ранее проведнных исследований определено, что ско рость истечения газа V зависит от объмного расхода газа Q :
V=mQ, (7) где Q – расход газа, л/с;
m – постоянный коэффициент, см/л, (для аргона m = 2,6).
Тогда, для аргоновой плазмы, выражение (6) можно записать в виде:
dP 19,625P 6,76Q cos 2 k (8) UI Коэффициент сосредоточенности определяет скорость нагрева поверхно сти детали за счт концентрации, давления, температуры и скорости плазмен ного потока. Таким образом, полученная зависимость свидетельствует, что на теплофизические характеристики плазменного потока, помимо энергетических параметров и количественного расхода газа, оказывает влияние и интенсив ность закрутки плазмообразующего газа.
Конструкция плазмотрона «КАБ» не предусматривает возможность на плавки с введением порошковых материалов в плазменную струю. Рассматри вая возможные способы введения порошковых материалов в плазменную струю, определено, что наиболее эффективным является тангенциальная подача порошка, которая приводит к его хорошему перемешиванию в плазме.
Плазмотрон «КАБ» используется для сварки с использованием двух плазмообразующих газов. Для этого в конструкции плазмотрона используется двухпоточная подача газов с закруткой в противоположных направлениях.
Противозакрутка необходима для уменьшения степени смешивания газов.
В модернизированном плазмотроне для наплавки использовали двухпо точную подачу газов в противоположных направлениях для регулирования ин тенсивности закрутки газа в плазмообразующем сопле. Для этого углы наклона винтовых канавок истечения газов на поверхности изолятора и анодного узла увеличены с 60 до 75.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» для про ведения экспериментальных исследований разработана схема и комплектация установки для плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности. В состав установки входят серийно выпускаемое оборудование с разработанной нами конструкцией плазмотрона. Контроль параметров режима осуществлялся по поверенным приборам класса точности до 0,5.
В качестве основного материала для наплавки образцов использовали сталь 304 AISI (аналог 08Х18Н10 по ГОСТ 5632-72).
Для определения эффективности газовой защиты разработанной конст рукции плазмотрона использовали электротермографический метод. Указанный метод заключается в подаче защитного газа через сопло плазмотрона на разо гретую до 500…600 С титановую проволоку. Известно, что титан при нагреве свыше 400 С интенсивно окисляется в атмосфере воздуха, и поверхность его приобретает желтоватый цвет, а защищенный инертным газом участок имеет серебристый цвет. Длина защищнного участка характеризует эффективность газовой защиты плазмотрона. Замеренная длина неокислнной поверхности прутка была принята за диаметр площади защищнной зоны Fз. Отношение этой величины к площади выходного сечения защитного сопла плазмотрона (по внутреннему диаметру плазмообразующего сопла) Fсз условно обозначается ко эффициентом газовой защиты Кэз:
F К ЭЗ З, (9) FСЗ Практические исследования влияния двухпоточной подачи плазмообра зующего газа с закруткой его в противоположных направлениях на теплофизи ческие параметры плазменной струи проводили при наплавке порошка марки ПР-НХ17СР4 фракции 160…280 мкм. Наплавку образцов осуществляли на по стоянных режимах с различным соотношением расхода плазмообразующего га за по винтовым канавкам изолятора и анода. В дальнейшем регистрировали геометрические размеры плазменного потока и проводили исследования макро структуры наплавленных слов.
Для установления зависимости ширины и высоты наплавленного металла от силы тока наплавки, расхода присадочного материала и скорости наплавки был выбран полный факторный эксперимент. Для определения границ интерва лов варьирования независимых переменных проводилась наплавка образцов на возможных режимах, что позволило определить диапазоны режимов, обеспечи вающих наилучшее качество наплавки. В дальнейшем по результатам экспери ментов устанавливалась значимость факторов, оказывающих наибольшее влия ние на высоту и ширину наплавленных слов с расчтом уравнений регрессии.
Исследование структуры образцов наплавленного металла производили при увеличении до 750 крат на металлографическом микроскопе Olympus 6Х-51 с программным обеспечением DP-3.1.
Измерение тврдости поверхностей проводили по методу Роквелла на приборах ТН-134, 2142-ТРМ. Микротврдость наплавленных слов определяли на приборе HVS-1000 с нагрузкой 25 и 50 г в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76.
Определение коррозионной стойкости наплавленного металла произво дили химическим методом ускоренных испытаний в соответствии с ГОСТ 9.908-85 и ГОСТ 9.912-89. Химический метод заключается в выдержива нии образцов в растворе трихлорида железа (FeCl3•6H2O) с последующим опре делением потери массы образцов.
Лабораторные испытания образцов наплавленного металла на изнашива ние проводили по схеме диск-колодка на машине трения ИИ-5018. В качестве контр-тела использовали колодку, которую изготавливали из стали 40Х13 с по следующей термообработкой до тврдости 50…55 HRCэ. Основные условия ис пытаний:
частота вращения диска – 500 мин-1;
нормальная нагрузка – 20 Н;
ширина рабочей поверхности – 6 мм;
шероховатость сопряженных поверхностей – Rа = 0,63…1,25 мкм.
Каждую пару испытывали до 100000 оборотов диска. До испытаний и че рез каждые 10000 оборотов диска проводили промывку в ацетоне и взвешивание образцов на аналитических весах ВЛА-200 (точность измерений 0,0001 г). Ме тодика испытаний и оценка результатов испытаний по определению среднего износа соответствуют ГОСТ 23.224-86.
Эксплуатационные испытания проводили для определения работоспособ ности восстановленных деталей и оценки относительной износостойкости на плавленных слов.
Для испытаний было восстановлено 9 сепарационных комплектов SM в соответствии с разработанным технологическим процессом. Наплавку шнеков производили на постоянных режимах тремя композициями наплавочных сме сей, которые имеют лучшие показатели по результатам лабораторных испыта ний на изнашивание.
Износы шнека и рубашки определяли при поступлении комплектов на очередной ремонт после переработки каждым комплектом 250 тыс. кг сырья.
В четвртой главе «Результаты исследований и их анализ» приведены результаты исследований и испытаний с их анализом по этапам.
Эффективность газовой защиты плазмотрона. По результатам иссле дований построены графики зависимости коэффициента газовой защиты Кэз от расхода защитного газа Qзг (рис. 2а), расстояния между плазмотроном и на плавляемой деталью H (рис. 2б).
а) б) Рисунок 2 – Зависимости коэффициента газовой защиты Кэз :
а) – от расхода защитного газа Qзг;
б) – от расстояния Н между плазмотроном и изделием.
Полученные графики имеют одинаковую тенденциию. При увеличении аргументов Qзг, H коэффициент газовой защиты Кэз увеличивается, достигает максимума и затем уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении расхода защитного газа Qзг более 18 л/мин Кэз уменьшается, вследствие, пере хода ламинарного потока защитного газа в турбулентный и его рассеивания из зоны наплавки. Увеличение расстояние между плазмотроном и изделием свыше 20 мм не обеспечивает качественную защиту зоны наплавки из-за значительно го рассеивания защитного газа.
Полученные по результатам исследования значения режима наплавки ис пользовались при наплавке порошка на титановую пластину, что позволило оценить эффективность газовой защиты в динамике, характерной для реального процесса порошковой наплавки. О качестве защиты судили по цвету и ширине неокисленной зоны. Установлено, что наиболее эффективным является значе ние расхода защитного газа Qзг = 12…20 л/мин, расстояние между плазмотро ном и наплавляемой деталью Н = 12…18 мм.
Влияние интенсивности закрутки плазмообразующего газа на тепло физические параметры плазменной струи. При наплавке образцов с различ ным соотношение расходов плазмообразующих газов наблюдается значитель ное изменение формы истечения плазменной струи. Исследования макрострук туры размеров наплавленных слов показало, что с изменением соотношения расходов газа по винтовым канавкам изолятора Q1 и наружной поверхности анода Q2 происходит изменение геометрии наплавленного валика по высоте и ширине (рис. 3).
При наплавке образуются покрытия без пор и трещин. С увеличением со отношения Q1/Q2 свыше 0,5 наблюдается нестабильность распределения плаз менной струи по поверхности металла и неудовлетворительное формирование наплавленных слов. Применение предложенной комбинированной подачи плазмообразующего газа уменьшает потери порошковых материалов на 20…30%.
2,8 2, 2, 2, h, мм B, мм 2 1, 1, 1, 1, 1 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0, Q1/Q2 Q1/Q а) б) Рисунок 3 – Влияние соотношения расхода газов на геометрию наплавлен ных слов:
а) – на высоту наплавки;
б) – на ширину наплавки Таким образом, изменение интенсивности закрутки плазмообразующего газа непосредственно влияет на концентрацию, скорость истечения, давление, температуру и тепловую плотность плазменного потока, что подтверждает ра нее полученную зависимость (8).
Оптимизация режимов наплавки. Результаты исследования влияния режимов на формирование наплавленного металла свидетельствуют о широких технологических возможностях плазменной наплавки на постоянном токе обрат ной полярности по регулированию геометрии наплавленного слоя (рис. 4).
а) б) Рисунок 4 – Влияние режимов на формирование наплавленных слов:
а) – зависимость ширины валика от погонной энергии наплавки;
б) – зависимость высоты валика от погонной энергии наплавки.
По результатам проведнных опытов, определено, что в дальнейших экс периментах варьирование силы тока необходимо осуществлять в пределах I = 110…130 А, скорости наплавки Vн = 11…14 м/ч, расхода порошка Qп = 80…120 г/мин. После математической обработки экспериментальных дан ных и перехода от кодированных значений к натуральным, уравнения регрес сии имеют вид:
- для высоты наплавленного металла Н = 1,664 – 0,41I – 0,95Vн + 2,25Qп + 0,31I Vн + 0,29I Qп – 0,81VнQп – 1,01I Vн Qп;
- для ширины наплавленного металла В = 13,054 – 2,02I – 1,95Vн + 1,76Qп + 1,02I Vн +1,59I Qп + 0,25Vн Qп – 1,02I Vн Qп.
Уравнения можно использовать при решении прямой и обратной задач, т.е. определять высоту и ширину наплавленного слоя в зависимости от задан ных режимов наплавки, либо устанавливать режимы в зависимости от требуе мой геометрии наплавленного металла.
Структура и тврдость наплавленных слов. Структура наплавленного слоя порошком ПР-НХ17СР4 свидетельствует о наличии тврдого раствора Cr и Fe в Ni, твердых растворов на основе -Fе и -Fе, карбидов CrFеxСy и боридов CrFе3В, Cr2В, карбоборидов CrFеx(ВС)y и оксидов сложного состава различных форм и размеров. Микротврдость матрицы лежит в пределах 3670…5540 МПа, включений – 7800…9800 МПа.
Микроструктура наплавленных слов смесью порошков ПР-НХ17СР4 и КХП-II, аналогично предыдущму материалу, содержит включения боридов и карбидов аналогичного состава, но в большем количестве. Микротврдость матрицы достигает 6400 МПа при содержании 18% порошка КХП-II в напла вочной смеси. Микротврдость тврдых включений не изменяется.
Наплавленный металл смесью порошков ПР-НХ17СР4 и БХ-2 имеет заэв тектические и доэвтектические структуры, располагающиеся вблизи предполо жительно существующей «эвтектической впадины» системы Ni-B-Si. Введение в сплав бора снижает точку плавления сплавов в связи с образованием боридов хрома, боридов никеля и карбоборидов.
Микротврдость матрицы данного покрытия с 18% содержанием порошка БХ-2 лежит в пределах 6600…6800 МПа, тврдых включений – 8100… МПа.
Микроструктура наплавленных слов смесью порошков ПР-НХ17СР4 и Р6М5Ф3 состоит из дендритов, представляющих собой механическую смесь тврдого раствора никеля в железе, бороцементита (CrFex(BC)y)3C с карбидами хрома сложного состава (Cr, V, Fe)3C, а также зрен карбидов вольфрама WC, W2C и карбида ванадия VC.
Микротврдость эвтектики составляет 5200…5800 МПа, карбидов – 9100…15700 МПа, боридов – 6800…9000 МПа.
Измерения тврдости по высоте наплавленных слов показало достаточно равномерное распределение значений, что свидетельствуют о низкой степени перемешивания основного и присадочного материалов. Глубина диффузии ле гирующих элементов из наплавленного слоя в основной металл составляет 0,2…0,4 мм.
Оценка коррозионной стойкости. Результаты исследования коррозион ной стойкости наплавленных слов подтверждают возможность применения предложенных композиций наплавочных материалов для восстановления дета лей оборудования перерабатывающих предприятий. Средняя условная скорость коррозии образцов колеблется в пределах порядка 7,5…9,0·10-5 г/(см2·ч), что не превышает показателей, регламентируемых для коррозионно-стойких сталей, применяемых в пищевой промышленности.
Результаты испытаний на изнашивание. Результаты испытаний образ цов с наплавленным металлом на изнашивание представлены показателем ин тенсивности изнашивания (рис. 5), который определяется отношением весового значения износа к пути трения.
Рисунок 5 – Влияние состава наплавочной смеси на интенсивность изна шивания наплавленного металла Увеличение в структуре основы карбидов и боридов обеспечивает повы шение износостойкости наплавленного металла. По результатам испытаний лучшие показатели по износостойкости наплавленных слов и контр-тел имеют образцы, наплавленные смесью с 10% содержанием порошка КХП II, 14% БХ- и 10% порошка Р6М5Ф3. Их износостойкость в 1,5…2 раза выше износостой кости металла, наплавленного порошком ПР-НХ17СР4.
Результаты эксплуатационных испытаний. Во время проведения экс плуатационных испытаний не зарегистрировано аварийных поломок сепаратора по причине выхода из строя восстановленных наплавкой шнеков. Восстанов ленные детали имеют износостойкость на уровне новых деталей. Лучшие экс плуатационные свойства имеют шнеки, наплавленные порошковой смесью 90%ПР-НХ17СР4 + 10%Р6М5Ф3, износ деталей на 7…10% ниже, чем у новых шнеков.
В пятой главе «Производственные рекомендации и их технико экономическая эффективность» на основании проведнных исследований и ис пытаний разработан технологический процесс восстановления шнека сепараци онного комплекта SM 210 плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности. Технология включает в себя следующие основные операции: очистку, дефектацию, предварительное шлифование изношенного шнека, наплавку и шлифование под размер рубашки. Также определены режи мы наплавки для восстановления рабочих поверхностей с высокой тврдостью деталей из коррозионно-стойких сталей (табл. 1). Разработанная технология может применяться для восстановления кромок режущего инструмента, уплот нительных поверхностей запорной арматуры и других деталей из коррозионно стойких сталей с тврдостью рабочих поверхностей от 50 до 62 HRCэ.
Таблица 1 – Режимы плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности Расход газов, л/мин Высота Скорость Сила Расход порошковой плазмо наплавки наплавки, транспор тока, А смеси, г/мин образую- защитного hн, мм м/ч тирующего щего* до 2,0 13,3-15,6 80- 90- 2,0-2,5 90- 12,2-13, 2,5-3,0 4-6 4-6 8- 100-110 100- 3,0-3, 11,0-12, 3,5-4,0 110-140 110- * - расход плазмообразующего газа по винтовым канавкам изолятора и расход газа по вин товым канавкам анода устанавливается 1 : Для наплавки шнеков предложена схема установки копировального типа (рис. 6). Она позволяет значительно упростить наплавку, снизить е трудом кость и автоматизировать процесс.
11 3 13 Рисунок 6 – Установка для плазменной наплавки деталей типа шнек 1 – станина, 2 – патрон, 3 – копир, 4 – наплавляемая деталь, 5 – муфта, 6 – задняя бабка, 7 – кронштейны, 8 – штанга, 9 – опорная каретка, 10 – рабочая каретка, 11 – опорный элемент, 12 – плазмотрон, 13 – планка, 14 – стойка, 15 – порошковый питатель.
Экономический эффект для перерабатывающих предприятий АПК при выпуске продукции порядка 1 млн. кг в год, замена изношенных шнеков на восстановленные, позволит снизить издержки производства на обслуживание и ремонт оборудования в пределах 1,5…2,0 млн. руб. в год.
Экономическая эффективность внедрения в ремонтном предприятии тех нологии плазменно-порошковой наплавки на токе обратной полярности взамен технологии газопорошковой наплавки составит 582408 руб. в год при годовой программе 135 шт.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Детали импортного оборудования в основном изготавливаются из кор розионно-стойких сталей с высокими механическими свойствами рабочих по верхностей по тврдости и износостойкости. Значения предельных износов де талей составляют 0,5…2,5 мм. Для восстановления размеров таких деталей наиболее целесообразным является применение плазменно-порошковой на плавки на постоянном токе обратной полярности. Плазменная наплавка на токе обратной полярности характеризуется широкими возможностями по регулиро ванию тепловой мощности, наличием эффекта катодного распыления оксидных плнок, меньшей степенью перемешивания основного и присадочного материа лов, меньшим тепловым воздействие на наплавляемую деталь.
2. Аналитически установлено влияние интенсивности закрутки плазмооб разующего газа на теплофизические характеристики плазменной струи. Это по зволило предложить использование двухпоточной подачи газа в плазмообра зующее сопло в противоположных направлениях закрутки для регулирования параметров плазменной струи. Двухпоточная подача плазмообразующего газа с закруткой в противоположных направлениях обеспечивает высокое качество наплавленных слов, позволяет регулировать распределение тепловой плотно сти по пятну контакта, что в свою очередь приводит к изменению геометрии наплавленного валика (увеличению ширины валика на 20…25%), снижению глубины проплавления основного металла с 0,5 до 0,2…0,4 мм, а также позво ляет сократить потери порошкового материала при наплавке до 30%.
3. Установлено, что плазменно-порошковая наплавка на постоянном токе обратной полярности позволяет получать за один рабочий ход высококачест венные наплавленные слои высотой от 1,2 до 4 мм, с шириной от 8 до 15 мм при наплавке с погонной энергией от 1,6 до 2,4 кДж/см, при следующих диапа зонах режимов:
- сила тока наплавки – 90…140 А;
- скорость наплавки – 11…15,6 м/ч;
- расход присадочного порошка – 50…180 г/мин.
4. Экспериментально подтверждно повышение тврдости наплавленного металла (с 52 до 64 HRCэ) и износостойкости в 1,5…2 раза при введении по рошков Р6М5Ф3, карбида и борида хрома (КХП-II и БХ-2) в наплавочный по рошок ПР-НХ17СР4.
5. Установлено, что плазменно-порошковая наплавка на токе обратной полярности смесью порошков 90%ПР-НХ17СР4 + 10%Р6М5Ф3 обеспечивает наилучшие показатели по качеству и износостойкости наплавленного слоя применительно к восстановлению шнека сепарационного комплекта SM 210.
Ресурс восстановленных деталей на 7…10% выше ресурса новых.
6. Разработан технологический процесс восстановления деталей из корро зионно-стойких сталей плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности на примере шнека сепарационного комплекта SM 210.
Разработана установка копировального типа, обеспечивающая повышение про изводительности наплавки на винтовую поверхность шнека в 2…3 раза по сравнению с ранее применявшейся ручной наплавкой. Технология вместе с ус тановкой принята к внедрению на ремонтном предприятии ЗАО НПО «Техно плазма».
7. Результаты расчетов ожидаемого экономического эффекта для перера батывающих предприятий АПК подтверждают целесообразность применения плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности для восстановления шнеков сепарационного комплекта SM 210. Для предприятий, использующих один сепаратор SM 210, замена деталей на восстановленные по зволит снизить издержки производства на обслуживание и ремонт оборудова ния в пределах 1,5…2,0 млн. руб. в год.
Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии в ЗАО НПО «Техноплазма» взамен ранее применявшейся газопорошковой на плавки составит 582408 руб. в год при годовой программе 135 штук.
Публикации по теме диссертации:
Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
1. Маврутенков, А.А. Плазмотрон для плазменно-порошковой наплавки на токе обратной полярности [Текст] / А.А. Маврутенков // Естественные и тех нические науки. – 2011. № 1 (51) : Процессы и машины агроинженерных сис тем. – С. 265 – 267. – ISSN 1684-2626.
2. Веселовский, Н.И. Оценка эффективности газовой защиты плазмотрона [Текст] / Н.И. Веселовский, А.А. Маврутенков // Труды ГОСНИТИ. – 2011. Том 107, часть 2 : Восстановление и упрочнение деталей. – С. 118 – 120.
3. Маврутенков, А.А. Исследование влияния подачи плазмообразующего газа на технологические характеристики плазменно-порошковой наплавки на токе обратной полярности [Текст] / А.А. Маврутенков, Н.И. Веселовский // Техника и оборудование для села. – 2011. - № 4. – С. 44 – 45. – ISSN 2072-9642.
4. Маврутенков, А.А. Применение плазменно-порошковой наплавки на токе обратной полярности для нанесения покрытий высокой тврдости на дета ли из коррозионно-стойких сталей [Текст] / А.А Маврутенков // Сварка и диаг ностика. – 2011. №2. – С. 48 – 50. – ISSN 2071-5234.
Публикации в других изданиях 5. Киселев, Г.С. К расчетному определению ВАХ плазменного потока с использованием теории теплообмена Навье-Стокса, Славяновские чтения «Сварка – XXI век» [Текст] / Г.С. Киселв, А.А. Маврутенков, Е.А. Татаринов // Сборник научных трудов. – 2009. - книга 1. – С. 130 – 135.
6. Татаринов, Е.А. Плазмотроны для сварки и наплавки алюминиевых сплавов [Текст] / Е.А. Татаринов, Г.С. Киселв, А.А. Маврутенков // Сборник научных и научно-методических работ кафедры «Сварка, литье и технология конструкционных материалов» Тульского государственного университета. – [Тула], 2009. – С. 57 – 61.
7. Веселовский, Н.И. Влияние режимов на формирование наплавленных слов при плазменно-порошковой наплавке на токе обратной полярности [Текст] / Н.И. Веселовский, А.А. Маврутенков // Мир транспорта и технологи ческих машин – 2010. - № 4 : Эксплуатация, ремонт, восстановление. – С. 7 – 11. – ISSN 2073-7432.
8. Веселовский, Н.И. Установка для плазменно-порошковой наплавки на токе обратной полярности [Текст] / Н.И. Веселовский, А.А. Маврутенков // Вестник РГАЗУ – 2011. - № 9 (14): Механизация производственных процессов в АПК, эксплуатация машино-тракторного парка. – С. 87 – 90. – ISSN 2075-3556.