ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЕ ПРИПЕКАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ - ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА И УПРОЧНЕНИЯ

ELECTRICAL CONTACT SINTERING OF COMPOSITE MATERIALS- A PROMISING TECHNOLOGY FOR REPAIR AND HARDENING

Xumoyun Mamasodikov

student at the faculty of Energy and Mechanical Engineering, Almalyk branch of the Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Uzbekistan, Almalyk

Mahmud Ergashev

scientific adviser, Senior lecturer at the faculty of Energy and Mechanical Engineering, Almalyk branch of the Tashkent State Technical University named after Islam Karimov

Uzbekistan, Almalyk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается существующие виды технологий восстановления и упрочнения деталей. Показаны преимущества электроконтактного припекания для восстановления и упрочнения деталей, имеющих глубину износа до 2.0 мм.

ABSTRACT

The article examines the existing types of technologies for the restoration and hardening of parts. The advantages of electric contact sintering for the restoration and hardening of parts with a wear depth of up to 2.0 mm are shown.

Ключевые слова: наплавка, напыление, восстановление, упрочнение, электроконтактное припекание.

Keywords: surfacing, spraying, restoration, hardening, electrical contact sintering.

В различных отраслях техники детали оборудования, находящихся в эксплуатации, подвергаются различным видам износа. Для восстановления размеров используются различные технологии наплавки и напыления. Наплавка и напыление, и их разновидности являются наиболее гибкими не только при восстановлении изношенных размеров, но и при упрочнении в целях увеличения срока службы техники в целом.

Наиболее распространенным при восстановлении размеров изношенных деталей пока остаются электродуговые способы наплавки. Повышенные припуски на механическую обработку, значительное тепловыделение и большая зона термического влияния, деформации и изменения геометрических размеров деталей при наплавке дуговыми способами в некоторых случаях технологически ограничивают их широкое перемещение. Наплавка не обеспечивает сохранение исходных «наследственных» свойств применяемого материала, в процессе наплавки происходят существенные изменения структуры, как материала покрытия, так и основной детали. Температура процесса наплавки превышает температуру плавления материала покрытия, что приводит к изменению свойств, заложенных в материале [1; 2].

При наплавке для большинства материалов покрытия наблюдается снижение твердости, чем заложенные в них, снижается так же физико-механические свойства как покрытия, таки основног металла и зоны соединения.

Покрытия, полученны газотермическими способами, характеризуются пористостью и при нанесении покрытий толщиной 3,0 мм и более, из-за разностей коэффициентов теплового расширения с подложкой склонны к самоотслоению.

Для повышения прочности сцепления с подложкой покрытия, нанесенные газотермическими способами, подвергаются к последующему оплавлению.

Повышенные удельные мощности, требования снижения материалоемкости и себестоимости ремонтных работ оборудования требует решения задач упрочнения и восстановления применением современных способов иматериалов, разработки прогрессивных технологий ремонта. Известно, что детали соприкасающихся поверхностей при величине износа 0,1-0,3 мм теряют свои функциональные значения.  Для восстановления и упрочнения при малых значениях износа наиболее приемлимым является электроконтактное припекание сплошных и порошковых материалов.

Электроконтактное припекание (ЭКП) состоит в нанесении на упрочняемую или восстанавливаемую поверхность детали слоя композиционного порошкового слоя и его припекание при воздействии импульса тока большой силы с одновременным наложением внешнего давления [3].

Электроконтактное припекание является одним из видов контактной сварки давлением и протекает в следующих стадиях [4]:

1. Образование физического контакта, т.е. сближение атомов покрытия и подложки за счет классической деформации. Образуется за счет внешнего давления.
2. Активизация контактных поверхностей – активные центры при этом образуются на поверхности более твердого материала. Активизация происходит в момент подачи импульса тока большой силы.
3. Объемное взаимодействие материала покрытия и детали обеспечиваются релаксацией напряжений, рекристаллизацией, а иногда гетеродиффузией, образованием общих зерен.

Существуют различные технологические способы нанесения восстановительных и упрочняющих покрытий, рисунок 1.

Рисунок 1. Схема электроконтактного припекания: а) порошковых материалов, б) сплошных материалов.

Нанесенный на поверхность детали слой металлического порошка нагревается до температуры, обеспечивающий спекание композиционного порошкового материала и образуется диффузионный слой с деталью. По результатам многочисленных экспериментов выявлено, что температура припекания находится в пределах 0,7-0,9 Т_пл. Нанесенный порошковый слой после припекания сохраняет заложенные в нем комплекс технологических свойств Установки для нанесения покрытий просты по конструкции и не содержать дефицитные детали или запасные части [5].

Применение ЭКП обеспечивает получение необходимых свойств покрытия при восстановлении или упрочнении, снижает затраты на ремонт, повышает производительность труда. Основными параметрами, влияющими на свойства покрытия и зоны соединения, являются величина силы тока импульса, усилие прижатия, время продолжительности импульса тока и пауза между импульсами.

В настоящее время ЭКП применяется для восстановления и упрочнения деталей сельхозтехники, автомобильного транспорта, химической и нефтегазовой отраслей, в машиностроении, для последующего повышения технологических свойств покрытий, предварительно нанесенных газотермическими или другими способами. Широкая номенклатура деталей, подлежащих восстановлению и технологические возможности ЭКПдает основание рассматривать процесс как альтернативный многим способом наплавки и напыления.

К преимуществам ЭКП относятся:

• Минимальное тепловложение. Времядействия импульса тока0,02-0,4 с, что исключает деформацию детали, глубина зоны термического влияния в зависимости от размера детали и параметров процесса составляет 0,2-0,5 мм, что на порядок меньше, чем глубина зоны термического влияния при дуговых способах наплавки.
• Получение покрытия в режиме спекания, способствующего повышению стойкости ролика-электрода, потери порошковых материалов, сжимает остаточные напряжения, обеспечивает прочность сцепления на уровне основного материала.Высокая производительность процесса, низкая энергоемкость - в среднем 0,40 кВт/час/м;
• Отсутствие защитной среды, а также светового излучения и газовыделения;
• Эффективное использование расходного материала;
• Простота конструкции установки для припекания;
• Возможность получения износостойких покрытий с минимальными припусками для последующей механической обработки.

Использование ЭКП вместо оплавления заметно повышает износостойкость покрытия, улучшает технологические свойства. Комбинация технологий газотермического напыления и последующее применение ЭКП дает возможность получения композиционных покрытий с заранее заданными свойствами.

Использование покрытий с использованием материалов сплошного сечения в виде проволокиз низкоуглеродистых сталей в сочетании с ЭКП и одновременное термодиффузионное насыщение улучшают эксплуатационные свойства деталей. Известны способы повышения прочности сцепления и износостойкости модифицированием ЭКП с термодиффузионным насыщением углеродом. Результаты исследований показывают, что покрытия из сталей, имеющих аустенитную структуру с добавлением наноразмерных добавок графита, увеличивают содержание остаточного аустенита, интенсивность износа снижается 3-4 раза.

В качестве материалов для ЭКП могут применяться проволоки и шихты из порошков различных марок, порошковые материалы легкоплавких и тугоплавких металлов, карбиды и нитриды, бориды металлов или композиции порошковых материалов. Применение для покрытий самофлюсующихся сплавов на основе железа и никеля, цветных сплавов и нержавеющих сталей показали возможность получения покрытия с необходимыми свойствами. Состав наиболее распространенных порошковых материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Состав порошков, использованных при ЭКП

Основным критерием применимости технологии и нанесения покрытий является прочность сцепления с подложкой. ЭКП обеспечивает получение получения покрытий с подложкой прочностью сцепления 180-260 МПа, что достаточно для эксплуатационных условий большинства оборудований. Технологическая наследственность порошковых материалов порядка     НRС25-60 при ЭКП сохраняется. Толщина покрытий находится в пределах 0,1-1,5 мм и более, достаточна для обеспечения восстановления и упрочнения для деталей типа валов, втулок, посадочных мест подшипников и другие.

Технология ЭКП эффективна для восстановления деталей, имеющих износ 1,5 мм по диаметру и упрочнения рабочих поверхностей новых и реставрированных деталей. Примерная номенклатура деталей приводится ниже:

• Детали типа тел вращения – валы, втулки, оси, посадочные места подшипников. Размеры восстанавливаемых деталей связано с рабочими характеристиками установок ЭКП.
• Для упрочнения предварительно нанесенных покрытий другими способами. Наружные диаметры зубчатых колес, шейки коленчатых валов двигателей и компрессоров;
• Детали электротехнической отрасли и горнорудной промышленности, сельхозтехники и др.

Обычно детали типа валов, втулки и посадочные места подшипников при малом значении износа – от 0,01 до 0,8 мм теряют свои функциональные значения. В таких случаях применение ЭКП имеет преимущества в сравнении с другими способами восстановления и упрочнения.

а)                                                                    б)

Рисунок 2. Микрофотографии зоны соединения сталь 45 + ПГ- С1.а) I=15кА, Р=20Мпа, б) режим тот же + ППД

На рисунке 2 показана зона соединения вала коробки передач с нанесенным покрытием из порошка ПГ-С1 при режимах припекания.  Зона соединения образовалась без жидкой фазы, отсутствуют дефекты в виде трещин, несплошностей. При последующей поверхностной пластической деформации (ППД) прочность сцепления покрытия повышается на 5-8 МПа. Последующая ППД производилась с уменьшением тока припекания и усилия прижатия на 30%, чем при нанесении покрытия.

Выше было отмечено, что установка ЭКП проста в конструкции. Учитывая эту особенность, можно спроектировать установки для нанесения покрытий на плоские поверхности, на наружные и внутренние поверхности.

Выводы:

Разработанные технологии ЭКП универсальны при нанесении покрытий сплошного сечения из различных металлов, в том числе цветных металлов, порошковых металлов. Покрытия могут быть как восстанавливающие до чертежного размера, так и упрочняющими, обладающими необходимыми или комплексными свойствами.

Последующее модифицирование предварительно нанесенных покрытий ЭКП с термодиффузионным насыщением углеродом в 2 и более раз увеличивает износостойкость покрытия.

Исследования в области адаптивного управления процессом ЭКП расширяет возможности и открывает перспективы в будущем широкого применения этого способа. Новые способы нанесения покрытий, в частности, нанесения покрытий с дискретной структурой способствуют повышению несущей способности покрытий.

Последующее пластическое деформирование покрытий ЭКП, нанесенных различными другими способами, значительно увеличивает механические свойства покрытий, существенно снижает трудозатраты и увеличивает срок службы восстановленных или упрочненных деталей.

Дальнейшее изучение процесса ЭКП состоит в исследовании термических циклов процесса, автоматизации управления как самим процессом, так и основными параметрами, изучения методов прогнозирования свойств покрытий. Появление новых материалов на основе нанотехнологий требуют разработки технологии применения и соответствующего оборудования.

Список литературы:

1. Поляк, М.С. Технология упрочнения. –Москва: Машиностроение Л.В.М.-СКРИПТ,-1995.-Т.1-832с.
2. Газотермические покрытия / Ю.С. Борисов [и др.]. –Киев : Наукова думка, - 1987.-544с.
3. Клименко, Ю.В. Электроконтактная наплавка. – М: Металлургия,1987.-128с.
4. Ярошевич, В.К. Электроконтактное упрочнение / В.К. Ярошевич, Я.С. Генкин, В.А. Верещагин – Минск: Наука и техника, 1982.- 256с.
5. Латыпов , Р.А. Выбор компактных и порошковых металлических материалов и управление качеством покрытий при упрочнении и восстановлении деталей электроконтактной приваркой : автореф. дисс. … д-ра техн. наук.- М., 2007-30с.
6. Mahmud Ergashev, Jakhongir Butunov, Mamasodikov Xumoyun. The Experience of Using Polymer Coolant in Electrical Contact Baking. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology/ vol.7, Issue 6, June 2020- p. 14116-14119