Главная » 2014»Август»23 » Скачать Разработка комбинированной технологии получения железоборидных покрытий при восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной бесплатно
06:51
Скачать Разработка комбинированной технологии получения железоборидных покрытий при восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной бесплатно
Разработка комбинированной технологии получения железоборидных покрытий при восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной техники
Диссертация
Автор: Казанцев, Сергей Павлович
Название: Разработка комбинированной технологии получения железоборидных покрытий при восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной техники
Справка: Казанцев, Сергей Павлович. Разработка комбинированной технологии получения железоборидных покрытий при восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной техники : диссертация доктора технических наук : 05.20.03 Москва, 2006 301 c. : 71 06-5/525
Объем: 301 стр.
Информация: Москва, 2006
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
11 Анализ условий работы деталей сельскохозяйственной техники
12 Применение диффузионных покрытий для восстановления и упрочнения деталей машин
121 Общие сведения
122 Технологии восстановления и упрочнения деталей машин диффузионными покрытиями
123 Способы увеличения толщины диффузионных покрытий
124 Общий анализ методов восстановления и упрочнения деталей диффузионными покрытиями
13 Комбинированная технология восстановления и упрочнения деталей машин железоборидными покрытиями
131 Проектирование комбинированной технологии
132 Способы упрочнения электролитических железных покрытий
133 Борирование как способ упрочнения электролитических железных покрытий
14 Номенклатура деталей для восстановления и упрочнения железоборидными покрытиями
15 Выводы, цель и задачи исследований
ГЛАВА 2 НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЖЕЛЕЗОБОРИДНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
21 Анализ возможностей диффузионной металлизации по увеличению толщины покрытий
22 Методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия одной из деталей соединения "вал - втулка"
23 Определение необходимого изменения размеров деталей и толщины диффузионного слоя
24 Разработка теоретических основ диффузионного борирования электролитических железных покрытий
241 Механизм образования диффузионных боридных слоев на железоуглеродистых сплавах
242 Теоретические предпосылки получения боридных слоев на электролитических железных покрытиях
2 43 Механизм образования диффузионных боридных слоев на электролитических железных покрытиях
244 Кинетика роста однофазных боридных слоев
245 Сублимация бора на насыщаемой поверхности при борировании в окислительной атмосфере и вакууме
25 Выводы
ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
31 Программа исследования
32 Объект и предмет исследования
33 Оборудование, материалы и технология электролитического железнения
34 Оборудование и материалы для диффузионного борирования
35 Методика выбора оптимального состава смеси и режимов борирования
36 Исследование физико-механических свойств покрытий
361 Металлографические исследования
362 Рентгеноструктурный и спектральный анализы покрытий
363 Измерение твердости и микротвердости покрытий и основы
364 Определение прочности сцепления покрытия с основой
365 Определение несущей способности покрытий
366 Определение трещиностойкости железоборидных покрытий
367 Определение шероховатости поверхности покрытий
368 Измерение размеров и формы деталей
37 Исследование износостойкости покрытий
38 Исследование коррозионной стойкости покрытий
39 Методика проведения ускоренных стендовых испытаний восстановленных деталей на надежность
ЗЛО Методика проведения эксплуатационных испытаний
310 Методика обработки экспериментальных данных
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
41 Влияние режимов и состава смеси на результаты диффузионного борирования в окислительной атмосфере
42 Оптимизация состава порошковой смеси и режимов борирования
43 Изменение линейных размеров деталей при борировании
44 Применение вакуума при диффузионном борировании
45 Коробление деталей после диффузионного борирования
46 Физико-механические свойства железоборидных покрытий
461 Металлографические исследования
462 Рентгеноструктурный и спектральный анализы покрытий
463 Исследование микротвердости диффузионных покрытий
464 Прочность сцепления железоборидных покрытий с основой
465 Несущая способность железоборидных покрытий
466 Исследование хрупкости покрытий
47 Исследование износостойкости железоборидных покрытий
48 Исследование коррозионной стойкости покрытий
49 Результаты ускоренных стендовых испытаний
411 Эксплуатационные испытания
412 Выводы
ГЛАВА 5 ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЖЕЛЕЗОБОРИДНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
51 Структурная схема технологии восстановления и упрочнения деталей машин железоборидными покрытиями
52 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения плунжерных пар топливных насосов УТН-М
53 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения золотников гидрораспределителя Р
54 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения гильз гидрораспределителя коробки передач трактора Т-150К
55 Экономическая эффективность внедрения технологических процессов восстановления деталей в соединениях "вал - втулка"
Введение:
Вопросам повышения качества сельскохозяйственной техники и оборудования, методам восстановления деталей и повышения долговечности соединений посвящены работы Аниловича В.Я., Ачкасова К.А., Батищева А.Н., Бугаева В.Н., Бурумкулова Ф.Х., Воловика E.JL, Ерохина М.Н., Кряжкова В.М., Козырева В.В., Курчаткина В.В., Лезина П.П., Лялякина В.П., Михлина В.М., Некрасова С.С., Петрова Г.К., Потапова Г.К., Поляченко А.В., Пучина Е.А., Северного А.Э., Селиванова А.И., Стрельцова В.В., Тельнова Н.Ф., Ульмана И.Е., Черновола М.И., Черноиванова В.И., Шадричева В.А., Юдина В.М. и других ученых. Их труды позволили решить ряд задач, стоящих перед ремонтно-обслуживающей базой АПК, значительно развить отечественную науку.
Вместе с тем проблемы повышения надежности сельскохозяйственной техники решаются медленно в сравнении с темпами, достигнутыми в других областях техники. Основной причиной отказов машин и оборудования в сельском хозяйстве (до 80.90 %) является изнашивание деталей [1].
Абразивное изнашивание является результатом воздействия частиц, содержащихся в пыли и попадающих в пары трения вместе с воздухом, топливом, рабочими жидкостями или смазкой. Применяемые на заводах-изготовителях сельскохозяйственной техники материалы и методы упрочнения (закалка, цементация, нитроцементация и азотирование) не обеспечивают необходимый уровень износостойкости и коррозионной стойкости стальных деталей. Во всех случаях поверхностная твердость деталей не превышает твердость кварцевого абразива (11 ООО МПа). Величины износов деталей находятся в пределах от 0,01 до 10 мм. Из них 74 % деталей имеют величину износа до 0,3 мм. Из поверхностей деталей различных групп цилиндрические составляют около 52 % (из них 40 % - внешние цилиндрические поверхности, а 60 % - внутренние) [1-3].
Значительное число деталей при ремонте техники выбраковывается с величиной износа, не превышающей десятых долей миллиметра. В то же время имеется большая номенклатура деталей машин, себестоимость восстановления которых составляет 30.50 % от цены новых. Цена капитального ремонта дизельных двигателей для тракторов и комбайнов с 1990 по 1999 годы снизилась по отношению к цене новых с 40.60 % до 22.30 %. Одной из причин указанной тенденции, относящейся к тракторам и другим сельскохозяйственным машинам, является рост цен на продукцию заводов-изготовителей наряду со снижением стоимости ее ремонта за счет уменьшения выбраковки деталей с недоиспользованным ресурсом.
Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года одним из важных направлений развития технического сервиса предусматривает создание ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий повышения надежности основных систем и агрегатов машин, включая двигатели, топливную аппаратуру, гидросистемы и агрегаты трансмиссий.
Ресурс деталей, восстановленных с помощью имеющихся в настоящее время технологий, составляет в среднем 60.80 % от ресурса новых. Поэтому разработка новых технологий, обеспечивающих восстановление деталей и получение поверхностей с твердостью, превышающей твердость новых деталей, является одним из приоритетных направлений технологического порядка, направленных на развитие ремонтно-обслуживающей базы в АПК [4].
Среди способов получения на стальных деталях износостойких покрытий большого внимания заслуживает диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхности стальных деталей хромом, титаном и никелем позволяет получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами: износостойкостью, коррозионной стойкостью, прочностью сцепления с металлом основы. Поверхностная твердость таких покрытий находится в пределах 16 000.32 000 МПа [5]. После диффузионной металлизации в большей степени, чем после других видов химико-термической обработки (ХТО), наблюдается изменение линейных размеров стальных деталей (от 0,01 до 0,1 мм). Эта особенность была использована при разработке технологий восстановления и упрочнения прецизионных деталей дизельной топливной аппаратуры [6-14]. Однако широкое внедрение разработанных способов сдерживается рядом причин:
• Недостаточная толщина диффузионных покрытий не позволяет расширить область их применения в ремонтном производстве.
• Необходимость использования дорогостоящих диффузантов - Cr, Ti, Ni, что особенно актуально в настоящее время. По данным [15] доля материалов в структуре затрат на восстановление изношенных деталей с 50.65 % в 1985 г. возросла до 90 % в 2002 г. (Витебский мотороремонтный завод).
• Зависимость разработанных технологий восстановления и упрочнения деталей от химического состава стали.
• Применение экологически вредных веществ (NH4F, NH4C1).
• Из-за малых припусков и высокой твердости остается нерешенной проблема механической обработки диффузионных покрытий.
Интенсификация диффузионных процессов такими способами, как многокомпонентное насыщение, термоциклирование или электромеханическая обработка усложняет технологию восстановления изношенных деталей, но не устраняет указанные недостатки, так как максимальный прирост размеров и толщины диффузионных покрытий составляет не более 25 %.
Наиболее перспективной, сохраняющей преимущества диффузионной металлизации и устраняющей ее недостатки, является комбинированная технология получения износостойких диффузионных покрытий на основе бори-дов железа. Основа покрытия, необходимая для изменения диаметра изношенных цилиндрических поверхностей деталей, может создаваться из доступных материалов (порошок железа, Св-08, Fe(CO)5, СтЗ) с помощью процессов напыления, контактной приварки ленты, наплавки, газофазной металлизации через карбонилы или электролитического железнения. Так как 60 % от общего числа цилиндрических поверхностей деталей составляют внутренние, т. е. труднодоступные поверхности, выбор был остановлен на технологии получения электролитических железных покрытий (ЭЖП).
Электролитическое железнение позволяет с высокой производительностью получать покрытия от нескольких сотых долей до нескольких миллиметров на доступном оборудовании, обеспечивает минимальный припуск на последующую механическую обработку или исключает ее. Технология совершенствуется в направлении улучшения качества ЭЖП, повышения производительности, уменьшения потребления чистой воды, упрощения подготовительных и заключительных операций [16-18].
Однако наряду с указанными достоинствами электролитический способ имеет существенные недостатки, прежде всего нестабильную сцепляемость покрытий с деталями и недостаточную поверхностную твердость. Для повышения физико-механических свойств такие покрытия подвергают упрочнению различными способами ХТО, которые не решают указанную проблему. Получаемая поверхностная твердость покрытий недостаточна, так как не превышает твердость кварцевого абразива.
Большое число исследований в этом направлении подтверждает экономическую целесообразность применения комбинированных технологий.
Диффузионная металлизация ЭЖП, например хромом или титаном, из-за отсутствия карбидообразующего элемента (углерода), приводит к образованию слоя на основе раствора хрома в железе (а -фаза). Поверхностная твердость диффузионного слоя невелика и находится в пределах 4500.5000 МПа.
В данной работе для упрочнения ЭЖП предлагается использовать метод диффузионного борирования. Известно, что преимуществом бора, имеющего в сравнении с хромом и титаном меньший атомный радиус, является более высокий коэффициент диффузии в железоуглеродистых сплавах. Поэтому бори-рование позволяет получать на малоуглеродистых сталях в 5. 10 раз большую толщину упрочняющего покрытия в сравнении с известными способами диффузионной металлизации при меньшей температуре и времени выдержки [19].
Комбинированная технология получения железоборидных покрытий предложена и исследовалась впервые. На электролитическом железе получены однофазные (Fe2B) боридные слои глубиной до 0,3 мм. Такие покрытия имеют меньшую хрупкость в сравнении с двухфазными, полученными на основе Fe2B и FeB. Поверхностная твердость боридного слоя на электролитическом железе составляет 14 500. 14 800 МПа, что является оптимальной величиной по двум основным требованиям - износостойкости и обрабатываемости полученного покрытия.
Для большинства деталей не требуется увеличение износостойкости в десятки и сотни раз. В ряде случаев оптимальным является упрочнение одной, наиболее доступной для восстановления детали соединения "вал - втулка". При этом обеспечиваются его минимальные изменения, сохраняются исходные условия работы в пределах срока службы сельскохозяйственной техники.
Исходя из изложенного, разработка теории получения диффузионных бо-ридных слоев на электролитическом железе, создание на ее основе новой технологии восстановления и упрочнения деталей в соединениях "вал - втулка" железоборидными покрытиями и ее реализация в ремонтном производстве является актуальной задачей, решение которой внесет значительный вклад в ресурсосбережение и конкурентоспособность российской техники.
Тема исследования по указанной проблеме включалась в планы НИР МГАУ им. В.П. Горячкина и соответствует стратегии машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года.
Цель работы: На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать способ и технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники железоборидными покрытиями.
Научная новизна. Разработаны алгоритмы применения железоборирова-ния как метода восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники. Предложена методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия при восстановлении соединений типа "вал - втулка" за счет одной детали. Получены уравнения для определения необходимого изменения диаметра деталей и толщины диффузионного слоя. Рассмотрен механизм образования диффузионного слоя при борировании электролитических железных покрытий (ЭЖП).
Установлено, что "мягкие" ЭЖП наиболее пригодны для упрочнения. Теоретически обоснована возможность получения однофазных (Fe2B) боридных слоев и рассчитаны диффузионные константы для ЭЖП и стали 45. Обоснована возможность диффузионного борирования в порошках без активаторов в окислительной среде и вакууме.
Практическая ценность и реализация результатов исследования.
Разработана новая комбинированная технология восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники, позволяющая в 3.10 раз увеличить изменение их размеров и толщину упрочненного слоя в сравнении с известными способами диффузионной металлизации и тем самым расширить область их применения в ремонтном производстве. На основе экспериментальных исследований установлены оптимальные режимы и составы смесей для борирования в окислительной атмосфере и вакууме, позволяющие получать желе-зоборидные покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Применение железоборидных покрытий приводит к увеличению износостойкости пар трения в 2,2.7 раз. Ресурс топливных насосов УТН-М с восстановленными плунжерными парами и упрочненным сопряжением "пятка плунжера - болт толкателя" в 1,7 раза выше ресурса серийных.
Технологические процессы восстановления и упрочнения деталей поршневых топливоподкачивающих насосов низкого давления, деталей гидротрансмиссии, установок для измельчения сыпучих материалов, валов внедрены в промышленной компании "Ветран", а также приняты к внедрению путем передачи технической документации и производственной проверки технологических процессов восстановления деталей плунжерных пар топливных насосов УТН и НД, гильз гидрораспределителя коробки передач трактора Т-150-К, золотников гидрораспределителей Р-75 и других деталей в научно-технический совет Минсельхозпрода РФ, ОАО "Ногинский завод топливной аппаратуры",
ОАО ПО "Молния", АООТ "Бабынинская сельхозтехника" Калужской области, ЗАО "ТЭКО-ИНВЕСТ".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
• научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина в 1985-2005 г.г.;
• Всесоюзной научно-практической конференции по восстановлению деталей машин (Рига, 2-5 декабря 1987 г.);
• научно-технической конференции "Повышение долговечности и надежности деталей машин методами упрочняющей обработки" (Саранск, 1988 г.);
• научно-практической конференции стран-членов СЭВ "Современное оборудование и технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин", "Ремдеталь-1988" (Пятигорск, 1988 г.);
• 2-ом съезде металловедов России (Пенза, 22-24 сентября 1994 г.);
• выездном заседании бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии в ФГОУ ВПО МГАУ "Перспективы развития и интеграции вузовской и академической агроинженерной науки" (Москва, 24 апреля 2001 г.);
• международной научно-практической конференции "Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе" (Москва, 16-18 декабря 2002 г.);
• третьей международной промышленной конференции "Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях" (Киев-Карпаты, 24-28 февраля 2003 г.);
• международной научно-практической конференции памяти академика Аниловича В.Я. "Проблемы технического сервиса сельскохозяйственной техники" (Харьков, 26-27 марта 2003 г.);
• международной научно-практической конференции "Опыт, проблемы и перспективы развития технического сервиса сельскохозяйственной техники" (Минск, 6-8 апреля 2004 г.);
• заседании Научно-технического совета Федерального агентства по сельскому хозяйству (5 сентября 2005 г.);
• заседании кафедры "Ремонт и надежность машин" ФГОУ ВПО МГАУ (Москва, 2006 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 30 печатных работах общим объемом 33,4 п.л., в том числе 8 статей в центральных изданиях. Новизна исследований подтверждена 5 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
На защиту выносятся:
• механизм образования боридного слоя на электролитическом железе;
• методы управления структурой и свойствами боридного слоя с целью получения оптимального уровня твердости и хрупкости;
• методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия при восстановлении соединений "вал - втулка" за счет одной детали;
• результаты экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных свойств деталей, восстановленных железоборидными покрытиями;
• новый способ восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники, защищенный патентами Российской Федерации;
• рекомендации по применению предлагаемых разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.
