Электроконтактное припекание композиционных материалов - перспективная технология ремонта и упрочнения

Электроконтактное припекание композиционных материалов - перспективная технология ремонта и упрочнения

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]:

Образование физического контакта, т.е. сближение атомов покрытия и подложки за счет классической деформации. Образуется за счет внешнего давления.

Активизация контактных поверхностей – активные центры при этом образуются на поверхности более твердого материала. Активизация происходит в момент подачи импульса тока большой силы.

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 Тпл. 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:

Поляк, М.С. Технология упрочнения. –Москва: Машиностроение Л.В.М.-СКРИПТ,-1995.-Т.1-832с.

Газотермические покрытия / Ю.С. Борисов [и др.]. –Киев : Наукова думка, - 1987.-544с.

Клименко, Ю.В. Электроконтактная наплавка. – М: Металлургия,1987. -128с.

Ярошевич, В.К. Электроконтактное упрочнение / В.К. Ярошевич, Я.С. Генкин, В.А. Верещагин – Минск: Наука и техника, 1982. - 256с.

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.

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