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 учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГОУ ВПО РГАЗУ) на кафедре «Наджность 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 образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская 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 принадлежит перерабатывающим предприятиям АПК.

Минимизация издержек и обеспечение требуемого качества производимой продукции возможно только при высокой наджности технологического оборудования, поэтому остаются актуальными исследования, направленные на разработку современных технологических процессов восстановления и упрочнения деталей.

Основная доля быстроизнашивающихся деталей оборудования перерабатывающей промышленности изготавливается из коррозионно-стойких сталей.

Техническое развитие промышленности за счт внедрения современных технологий, оборудования и материалов приводит к появлению машин, узлов и агрегатов сложной конструкции, включающие в себя детали с высокими характеристиками рабочих поверхностей. Для перерабатывающего оборудования наблюдается тенденция в изготовлении деталей из комбинированных материалов.

Например, деталей из коррозионно-стойких сталей с нанеснными покрытиями на рабочих поверхностях, обладающих высокой износостойкостью и тврдостью порядка HRCэ 60.

Существующие способы восстановления таких деталей не всегда удовлетворяют современным требованиям, в частности, многие из них не обеспечивают требуемую износостойкость рабочих поверхностей деталей, имеют высокую себестоимость, восстановленные детали не соответствуют санитарным нормам.

Обеспечение требуемого качества и высокой производительности при восстановлении изношенных деталей возможно только при использовании современных способов, материалов и оборудования. Одним из прогрессивных способов восстановления деталей является плазменная наплавка, которая позволяет использовать различные наплавочные материалы с обеспечением требуемых характеристик восстановленных поверхностей.

Цель работы. Разработка технологии восстановления рабочих поверхностей 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 плазменной струи, конструкция плазмотрона для порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности.

Достоверность результатов исследований подтверждается использованием стандартных, общепринятых методов исследований, современных контрольно-измерительных приборов, оборудования и инструментов, применением математической обработки информации, достаточной сходимостью и повторностью экспериментов, стендовыми и эксплуатационными испытаниями.

Научную новизну работы составляют: аналитическая зависимость теплофизических 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 зависимости от режимов и состава присадочного материала.

Практическая ценность. Разработана технология восстановления деталей из коррозионно-стойких сталей на примере шнека сепарационного комплекта 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 наплавки шнеков, позволяющая сократить время наплавки в 2…3 раза по сравнению 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, влияния 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 доложены на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы 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 кафедры 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, пяти 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 основании анализа оборудования перерабатывающих производств установлено, что основная доля быстроизнашивающихся деталей изготавливается из коррозионно-стойких сталей.

Восстановление деталей из коррозионно-стойких сталей возможно различными способами. Рассматривая применяемые детали в технологическом оборудовании перерабатывающих предприятий, характер изнашивания и значения их износов определено, что наиболее эффективным является восстановление деталей наплавкой.

Анализ трудов А.Е. Вайнермана, А.И. Сидорова, В.М. Кряжкова, Б.Б. Нефдова, О.Е. Шевченко, В. И. Астахина, И. К. Горбатенкова, С. И. Пулатова, Ю.И. Эпштейн, Гумировой Ф.И. и многих других показал эффективность применения 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 качества наплавленных слов;

низкая степень перемешивания основного и наплавочного материалов;

более широкая возможность по регулированию тепловой мощности.

В настоящее время разработано широкое многообразие способов плазменной наплавки. Учитывая, что при наплавке деталей из коррозионно-стойких сталей не допускается перегрев металла, приводящий к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию зоны термического влияния, определено, что наиболее целесообразным является применение плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности. Применение порошковых материалов обусловлено широкими возможностями по регулированию легирования и геометрии 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 детали обусловлен тем, что в настоящее время на перерабатывающих предприятиях АПК используется большое количество импортного оборудования. Восстановление 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 механическую 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 основные задачи исследования:

выбрать порошковые материалы, позволяющие получать наплавленные 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 плазменно-порошковой наплавкой на токе обратной полярности;

провести эксплуатационные испытания восстановленных деталей;

разработать технологию восстановления деталей из коррозионностойких сталей плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности;

определить технико-экономическую эффективность применения новой Во второй главе «Теоретическое обоснование плазменной наплавки на постоянном токе обратной полярности» проведн анализ выпускаемых отечественной промышленностью порошковых материалов для наплавки. Присадочным материалом, разрешнным для применения в контакте с пищевыми средами, который обеспечивает высокую твердость, является самофлюсующийся порошок 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 восстанавливаемых деталей, за счт увеличения износостойкости, необходимо дополнительно ввести в присадочный материал элементы, образующие тврдые включения. 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 обратной полярности применялась в основном только для восстановления деталей из алюминиевых сплавов. Наплавка на токе обратной полярности ограничена воздействием высокой тепловой нагрузки на анодный узел плазмотрона. Это обусловлено 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 диапазоном токовых нагрузок от 60 до 400 А. Однако для сварки необходима высокая концентрация энергии, а для наплавки высокая концентрация плазменного потока оказывает негативное влияние (увеличивается степень перемешивания основного и наплавляемого металлов, создаются неблагоприятные условия для формирования наплавленного слоя). Качество наплавленных покрытий получается более высоким при работе на средних и мягких режимах.

Основной теплообмен между плазменной струй и обрабатываемой поверхностью происходит в области пятна нагрева. Интенсивность теплового потока в центре пятна нагрева определяется известным выражением:

где q1m – максимальная линейная интенсивность теплового потока, Вт/см;

q – эффективная тепловая мощность источника, Вт; k – коэффициент сосредоточенности теплового потока, см-1.

В случае наплавки плазменной струй эффективная тепловая мощность определяется выражением:

где – к.п.д. плазменного нагрева изделия; U – напряжение дуги, В; I – ток дуги, А.

С учтом допущений, что основной вклад в тепловой поток вносят тяжлые частицы при постоянном статическом давлении в струе, максимальная линейная интенсивность теплового потока определяется по формуле:

где i – число степеней свободы молекулы плазмообразующего газа (для аргона i = 3); P – статическое давление в струе, Па; Vп – скорость истечения плазменной струи, см/с.

Переход из газообразного состояния в плазму сопровождается увеличением 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 работы L, изменения потенциальной энергии g(z2 – z1) и работы сил трения Lтр.

В случае перехода газа в плазму можно использовать упрощнное уравнение Бернулли, соответствующее режиму, когда отсутствует техническая работа L = 0, нет гидравлических потерь Lтр = 0 и запас потенциальной энергии не изменяется z1 = z2. Для этого режима уравнение Бернулли запишем в следующей форме:

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:

В плазмотронах с тангенциальной подачей, газ податся в плазмообразующее сопло по винтовой траектории (рис. 1).

Рисунок 1 – Траектория движения газа в канале плазмотрона V – скорость истечения газа, Vг – осевая составляющая скорости истечения газа, – угол наклона винтовых канавок По результатам ранее проведнных исследований определено, что скорость истечения газа V зависит от объмного расхода газа Q :

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:

Коэффициент сосредоточенности определяет скорость нагрева поверхности детали за счт концентрации, давления, температуры и скорости плазменного потока. Таким образом, полученная зависимость свидетельствует, что на теплофизические характеристики плазменного потока, помимо энергетических параметров и количественного расхода газа, оказывает влияние и интенсивность закрутки плазмообразующего газа.

Конструкция плазмотрона «КАБ» не предусматривает возможность наплавки с введением порошковых материалов в плазменную струю. Рассматривая 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 двухпоточную подачу газов в противоположных направлениях для регулирования интенсивности 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 проведения 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 конструкции плазмотрона использовали электротермографический метод. Указанный метод заключается в подаче защитного газа через сопло плазмотрона на разогретую 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 коэффициентом газовой защиты Кэз:

Практические исследования влияния двухпоточной подачи плазмообразующего газа с закруткой его в противоположных направлениях на теплофизические параметры плазменной струи проводили при наплавке порошка марки ПР-НХ17СР4 фракции 160…280 мкм. Наплавку образцов осуществляли на постоянных режимах с различным соотношением расхода плазмообразующего газа по винтовым канавкам изолятора и анода. В дальнейшем регистрировали геометрические размеры плазменного потока и проводили исследования макроструктуры 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 интервалов варьирования независимых переменных проводилась наплавка образцов на возможных режимах, что позволило определить диапазоны режимов, обеспечивающих наилучшее качество наплавки. В дальнейшем по результатам экспериментов устанавливалась значимость факторов, оказывающих наибольшее влияние 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 производили химическим методом ускоренных испытаний в соответствии с ГОСТ 9.908-85 и ГОСТ 9.912-89. Химический метод заключается в выдерживании образцов в растворе трихлорида железа (FeCl3•6H2O) с последующим определением потери массы образцов.

Лабораторные испытания образцов наплавленного металла на изнашивание проводили по схеме диск-колодка на машине трения ИИ-5018. В качестве контр-тела использовали колодку, которую изготавливали из стали 40Х13 с последующей термообработкой до тврдости 50…55 HRCэ. Основные условия испытаний:

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 через каждые 10000 оборотов диска проводили промывку в ацетоне и взвешивание образцов на аналитических весах ВЛА-200 (точность измерений 0,0001 г). Методика испытаний и оценка результатов испытаний по определению среднего износа соответствуют ГОСТ 23.224-86.

Эксплуатационные испытания проводили для определения работоспособности восстановленных деталей и оценки относительной износостойкости наплавленных слов.

Для испытаний было восстановлено 9 сепарационных комплектов SM в соответствии с разработанным технологическим процессом. Наплавку шнеков производили на постоянных режимах тремя композициями наплавочных смесей, которые имеют лучшие показатели по результатам лабораторных испытаний 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 исследований построены графики зависимости коэффициента газовой защиты Кэз от расхода защитного газа Qзг (рис. 2а), расстояния между плазмотроном и наплавляемой деталью H (рис. 2б).

Рисунок 2 – Зависимости коэффициента газовой защиты Кэз :

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, перехода 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 значительного рассеивания защитного газа.

Полученные по результатам исследования значения режима наплавки использовались 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 значение расхода защитного газа Qзг = 12…20 л/мин, расстояние между плазмотроном и наплавляемой деталью Н = 12…18 мм.

Влияние интенсивности закрутки плазмообразующего газа на теплофизические параметры плазменной струи. При наплавке образцов с различным соотношение расходов плазмообразующих газов наблюдается значительное изменение формы истечения плазменной струи. Исследования макроструктуры 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 соотношения Q1/Q2 свыше 0,5 наблюдается нестабильность распределения плазменной струи по поверхности металла и неудовлетворительное формирование наплавленных слов. Применение предложенной комбинированной подачи плазмообразующего газа уменьшает потери порошковых материалов на 20…30%.

h, мм Рисунок 3 – Влияние соотношения расхода газов на геометрию наплавленных слов:

Таким образом, изменение интенсивности закрутки плазмообразующего газа непосредственно влияет на концентрацию, скорость истечения, давление, температуру и тепловую плотность плазменного потока, что подтверждает ранее полученную зависимость (8).

Оптимизация режимов наплавки. Результаты исследования влияния режимов на формирование наплавленного металла свидетельствуют о широких технологических возможностях плазменной наплавки на постоянном токе обратной полярности по регулированию геометрии наплавленного слоя (рис. 4).

Рисунок 4 – Влияние режимов на формирование наплавленных слов:

По результатам проведнных опытов, определено, что в дальнейших экспериментах 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 данных и перехода от кодированных значений к натуральным, уравнения регрессии 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 заданных режимов наплавки, либо устанавливать режимы в зависимости от требуемой 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 наплавочной смеси. Микротврдость тврдых включений не изменяется.

Наплавленный металл смесью порошков ПР-НХ17СР4 и БХ-2 имеет заэвтектические и доэвтектические структуры, располагающиеся вблизи предположительно 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 легирующих элементов из наплавленного слоя в основной металл составляет 0,2…0,4 мм.

Оценка коррозионной стойкости. Результаты исследования коррозионной стойкости наплавленных слов подтверждают возможность применения предложенных композиций наплавочных материалов для восстановления деталей 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 образцов с наплавленным металлом на изнашивание представлены показателем интенсивности изнашивания (рис. 5), который определяется отношением весового значения износа к пути трения.

Рисунок 5 – Влияние состава наплавочной смеси на интенсивность изнашивания наплавленного металла Увеличение в структуре основы карбидов и боридов обеспечивает повышение 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 износостойкости металла, наплавленного порошком ПР-НХ17СР4.

Результаты эксплуатационных испытаний. Во время проведения эксплуатационных испытаний не зарегистрировано аварийных поломок сепаратора по причине выхода из строя восстановленных наплавкой шнеков. Восстановленные детали имеют износостойкость на уровне новых деталей. Лучшие эксплуатационные 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 техникоэкономическая эффективность» на основании проведнных исследований и испытаний разработан технологический процесс восстановления шнека сепарационного 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 режимы наплавки для восстановления рабочих поверхностей с высокой тврдостью деталей из коррозионно-стойких сталей (табл. 1). Разработанная технология может применяться для восстановления кромок режущего инструмента, уплотнительных поверхностей запорной арматуры и других деталей из коррозионностойких сталей с тврдостью рабочих поверхностей от 50 до 62 HRCэ.

Таблица 1 – Режимы плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе 3,0-3, * - расход плазмообразующего газа по винтовым канавкам изолятора и расход газа по винтовым канавкам анода устанавливается 1 : Для наплавки шнеков предложена схема установки копировального типа (рис. 6). Она позволяет значительно упростить наплавку, снизить е трудомкость и автоматизировать процесс.

Рисунок 6 – Установка для плазменной наплавки деталей типа шнек 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 технологии 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 коррозионно-стойких сталей с высокими механическими свойствами рабочих поверхностей по тврдости и износостойкости. Значения предельных износов деталей составляют 0,5…2,5 мм. Для восстановления размеров таких деталей наиболее целесообразным является применение плазменно-порошковой наплавки на постоянном токе обратной полярности. Плазменная наплавка на токе обратной полярности характеризуется широкими возможностями по регулированию тепловой мощности, наличием эффекта катодного распыления оксидных плнок, меньшей степенью перемешивания основного и присадочного материалов, меньшим тепловым воздействие на наплавляемую деталь.

2. Аналитически установлено влияние интенсивности закрутки плазмообразующего газа на теплофизические характеристики плазменной струи. Это позволило предложить использование двухпоточной подачи газа в плазмообразующее 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 плотности 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 позволяет 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 высококачественные 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 диапазонах 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 порошков Р6М5Ф3, карбида и борида хрома (КХП-II и БХ-2) в наплавочный порошок 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 коррозионно-стойких сталей плазменно-порошковой наплавкой на постоянном токе обратной полярности на примере шнека сепарационного комплекта SM 210.

Разработана установка копировального типа, обеспечивающая повышение производительности наплавки на винтовую поверхность шнека в 2…3 раза по сравнению с ранее применявшейся ручной наплавкой. Технология вместе с установкой принята к внедрению на ремонтном предприятии ЗАО НПО «Техноплазма».

7. Результаты расчетов ожидаемого экономического эффекта для перерабатывающих 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 позволит снизить издержки производства на обслуживание и ремонт оборудования в пределах 1,5…2,0 млн. руб. в год.

Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии в ЗАО НПО «Техноплазма» взамен ранее применявшейся газопорошковой наплавки составит 582408 руб. в год при годовой программе 135 штук.

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 технические науки. – 2011. № 1 (51) : Процессы и машины агроинженерных систем. – 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 детали из коррозионно-стойких сталей [Текст] / А.А Маврутенков // Сварка и диагностика. – 2011. №2. – С. 48 – 50. – ISSN 2071-5234.

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 технологических 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.