Упрочнение рабочих органов сельскохозяйственной техники вторичными твердосплавными материалами

Язык труда и переводы:
УДК:
620.3
Дата публикации:
17 мая 2022, 17:21
Категория:
Инновационные технологии ремонта, реновации и восстановления в машиностроении
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена технология получения электроэрозионным диспергированием порошковых материалов из отходов металлов и сплавов. Объектом исследования является технология получения порошков из бронзы марки БрАЖ9-4 (ГОСТ 18175–8) и твердого сплава марки Т15К6 (ГОСТ 3882–74 (ИСО 513–75) методом электроэрозионного диспергирования. Рассмотрены методы получения вторичных порошковых материалов. Представлены результаты исследований свойств полученных порошков и покрытий на их основе. Сделан вывод, что электроэррозионное диспергирование является приоритетным методом для получения порошковых материалов, а полученные материалы отвечают всем представленным требованиям.
Ключевые слова:
порошковые материалы, сварочно-наплавочные методы, электроэрозионное диспергирование
Основной текст труда

Введение

Мировое производство металлических порошков в настоящее время составляет более одного миллиона тонн, а изделий из них — 650–750 тыс. т. Основные направления развития порошковой металлургии связаны, прежде всего, с преодолением трудностей в осуществлении литья тугоплавких металлов и изделий со специфическими свойствами (дисперсноупрочненных, фрикционных, антифрикционных, износостойких, высокопористых и других материалов). Изготовление порошковых изделий взамен полученных из литых металлов позволяет значительно (60–70 %) снизить потери металла, количество обрабатывающего оборудования и обслуживающего его рабочего персонала, а также энергозатраты на производство единицы продукции.

При этом, особое внимание уделяется сверхмелкозернистым и дисперсным материалам, так как уменьшение размера структурных элементов — частиц, кристаллов, зерен, ниже некоторой пороговой величины может приводить к заметному изменению их свойств.

Поэтому научный интерес к наноразмерным (мелкодисперсным) составляющим или компактам связан с ожиданием возможного влияния размера частиц порошка и зерен объемного материала или покрытия на свойства материала.

Малый размер зерен обусловливает большую развитость и протяженность межзеренных границ. Это, в свою очередь, определяет комплекс явлений, связанных с изменением свойств изделия за счет увеличения доли вклада поверхности в общие свойства системы. В результате нанокристаллические материалы по свойствам существенно отличаются от обычных поликристаллов, а уменьшение размера зерна рассматривается как эффективный метод изменения свойств материалов [1].

Проведенные экспериментальные исследования свойств порошковых материалов из твердых сплавов (ВК6, ВК8, Т15К6), цветных сплавов (БрКМц3-1, БрАЖ9-4 и т. п.), полученных на экспериментальной лабораторной установке электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) из отходов производства показали, что порошки имеют правильную сферическую или эллиптическую форму, а также различный гранулометрический состав (в том числе наноразмерной величины). Порошки с такими свойствами могут активно применяться как для лазерных технологий, так и в аддитивных технологиях, которые находят все большее применение в различных отраслях народного хозяйства.

В связи с этим, разработка научных основ и технологий получения ресурсосберегающих электродных и композиционных порошковых материалов и покрытий из электроэрозионных порошков с мелко- и нанодисперсными частицами из отходов машиностроительных производств (рециклинг металлов и сплавов), которые в последующем могут быть применены в сварочно-наплавочных методах, в аддитивных технологиях для придания определенных свойств материалам и покрытиям, а также в порошковой металлургии для изготовления спеченных изделий, является перспективной и актуальной.

Методы

Объектом исследования является технология получения порошков из бронзы марки БрАЖ9-4 (ГОСТ 18175–78) и твердого сплава марки Т15К6 (ГОСТ 3882–74 (ИСО 513–75) методом электроэрозионного диспергирования с последующим спеканием и прессованием в композиционные изделия.

Место проведения работ — лабораторно-экспериментальная база ЦКП «Нано-Центр» ФГБНУ ФНАЦ ВИМ.

Ожидаемые результаты работы: технологические рекомендации для получения электродных и композиционных порошковых материалов и изделий из электроэрозионных порошков с мелко- и нанодисперсными частицами [2].

Предполагается провести в лабораториях отдела 14 предварительные испытания по восстановлению и упрочнению деталей сельскохозяйственных машин имеющимися методами с использованием электродных и композиционных материалов, полученных спеканием и прессованием порошков с мелко- и нанодисперсными частицами.

Методики исследований

С целью получения достоверных выводов с минимальным процентом ошибок при обработке результатов необходимо провести исследования, заключающиеся в прохождении полного цикла испытаний с использованием различных методик по определению физико-механических и эксплуатационных свойств порошков.

Металлографические исследования с определением толщины покрытий, микротвердости и сплошности выполняются согласно [4], в отдельных случаях по необходимости оговариваются дополнительно в технических заданиях на проведение исследований.

 

Результаты

Для проведения исследований по возможности наплавки порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования, сварочно-наплавочными способами были подготовлены порошковые материалы из твердого сплава и сплава на основе меди.

В качестве установки для ЭЭД использовался генератор импульсов для электроискровой обработки мод. «Элитрон-52Б».

Во время работ по получению порошкового материала проявлялись некоторые трудности, в результате которых приходилось приостанавливать процесс диспергирования. Из-за неотработанных в полном объеме режимов диспергирования выходил из строя вибровозбудитель, в реакторе, изготовленным из термостойкого стекла из-за кавитации, ударных нагрузок и высоких температур появлялась трещина. Причинами этого являются довольно мощная установка, а также различная плотность, теплопроводность исходного диспергируемого материала — твердосплавного и медесодержащего лома [3].

В качестве рабочей среды при осуществлении процесса электроэрозионного диспергирования использовалась дистиллированная вода (ГОСТ 6709–72). Режимы получения порошков, методом ЭЭД представлены в таблице 1.

Таблица 1. Режимы получения порошков, методом ЭЭД

Материал

Источник тока

Ток короткого замыкания, А, не менее

Суммарное время непрерывного воздействия вибраций (по паспорту), мин

Твердый сплав

Резистивно-емкостной

112

151

Медесодержащий сплав

Резистивно-емкостной

24

151

 

С целью определения возможности спекания полученных порошковых материалов методом ЭЭД для последующих исследований — спекание (лазерная наплавка) и прессование (электроды для электроискрового легирования) и определения их качества, была проведена пробная наплавка плазменно-порошковым методом в лаборатории 14.1.

Для проведения исследований в лабораторию 14.1 были переданы образцы порошка твердого и медесодержащего сплавов, определенного фракционного состава.

Анализ элементного состава полученных порошковых материалов, которые предстоит наплавлять, осуществлялся при помощи рентгенофлуорисцентного спектрометра марки Niton XL3t GOLDD+ по внутренним методикам к прибору по двум базам: «сыпучие материалы» и «монолитные металлические образцы». Результаты определения состава порошков, полученных методом ЭЭД, представлен в таблице 2.

Таблица 2. Элементный состав порошков, полученных методом ЭЭД, % масс

Химический элемент

Твердосплавный порошок

Медесодержащий порошок

Содержание, %

Доверительный интервал ±2σ, %

Содержание, %

Доверительный интервал ±2σ, %

Ti

52.1

0,17

0,144

0,04

Ni

23,42

0,12

0,120

0,009

W

8,36

0,07

Mo

6,73

0,04

0,007

0,001

Fe

6,10

0,06

1,58

0,02

Cu

1,47

0,03

86,30

0,28

Co

0,880

0,029

Zn

0,408

0,024

9,77

0,05

V

0,330

0,027

0,026

0,03

Cr

0,071

0,010

Zr

0,070

0,002

0,08

0,002

Sn

0,029

0,005

0,146

0,008

Nb

0,023

0,002

Pb

0,018

0,005

0,265

0,013

Al

1,06

0,30

Si

0,384

0,052

Mn

0,137

0,010

 

Из таблицы видно, что в составе полученных порошков присутствует большое количество легирующих элементов. В тоже время, изменение элементного состава порошков по сравнению с исходными материалами, т. е. лома (твердый сплав ГОСТ 3882–74 (ИСО 513–75) и бронзы ГОСТ 18175–78), обусловлено диффузией элементов в рабочую жидкость и реакциями диспергируемого материала с рабочей жидкостью и продуктами ее гидролиза. Как ранее было установлено, процесс ЭЭД сопровождается выделением сажи, что визуально наблюдается при диспергировании в воде, поскольку при нагревании карбидов до температур 2000–2500 °С происходит испарение углерода, так как при высоких температурах карбиды диссоциируют соответственно на W, Тi, Cu и др., причем скорость испарения углерода выше скорости испарения металлов. Это отражается на увеличении количества свободного углерода в порошке. Прохождение электрического тока через рабочую жидкость влечет ее пиролиз, в результате которого конечными продуктами распада являются водород и кислород. Газы (Н2 и О2) в процессе диспергирования выходят на поверхность рабочей жидкости и частично взаимодействуют (кислород) с частицами порошка [4].

Исследование микроструктуры и микротвердости наплавленного порошкового материала показало, что микротвердость покрытий превышает микротвердость материала основы, а также микротвердость зоны термического влияния. Результаты измерения микротвердости представлены в таблице 10. Изучение микроструктуры образцов выявило явное разграничение зон: основного металла, зона термического влияния и само покрытие — наплавка, (рисунки 21–23). При этом на образце 2 значимо выделяется подслой из другого металла, который менее всего подвергся вытравливанию.

Таблица 3. Микротвердость исследуемых образцов

Исследуемая зона

Покрытие 1

(ПГСР2 +

(20–25%) Т15К6 ЭЭД)

Покрытие 2

(ПГСР2 +

(35–40%) Т15К6 ЭЭД)

Покрытие3

(Медесодержащий порошок ЭЭД)

Покрытие

543

543

543

425

452

406

368

407

348

ЗТВ

400

400

400

330

399

349

378

379

346

Основа

363

363

363

340

335

321

338

306

330

Обсуждение

Результаты наплавки плазменно-порошковым методом с использованием порошковых ЭЭД материалов, обладающих довольно мелким фракционным составом, показали несоответствие конструкции установки, имеющейся в наличии, необходимым требованиям. Система подачи порошка из бункера разработана под порошки более крупного фракционного состава, в результате чего наплавляемый материал просыпался через щель бункера, что приводило к образованию неравномерного, пористого, низкокачественного покрытия.

Исследования наплавленных порошков показали, что элементный состав наплавленного материала после шлифования значительно изменился, а некоторые основные элементы отсутствуют, причина этого — неверно выбранная глубина резания при шлифовании и как результат — снято основное покрытие, однако эффект наплавки остался — значительно увеличена твердость по сравнению с основой. В микроструктуре образцов присутствуют зона покрытий и зона термического влияния, что также подтверждается увеличение микротвердости по зонам [5].

Таким образом, пробная плазменно-порошковая наплавка показала, что порошковые материалы, полученные методом ЭЭД, могут применяться в такого рода технологии нанесения покрытий, а также при необходимости можно осуществить спекание и изостатическое прессование.

 

Заключение

Исследования показали, что порошки из твердого сплава, полученные ЭЭД, наиболее рационально применять в упрочняющих технологиях в смеси (не более 25 %) с дешевыми порошками типа ПГСР, что обеспечивает повышенную износостойкость и экономию затрат на материалы.

Твердость покрытия плазменно-порошковой наплавкой для состава «ПГСР2 + (20–25 %) Т15К6 ЭЭД» составила 54…55 HRC, что превосходит твердость стали 65Г, используемой для изготовления рабочих органов сельхозмашин, в 1,5 раза.

Исследования ТВЧ-наплавки твердосплавных порошковых материалов, полученных методом ЭЭД, показали, что наибольшая твердость соответствует смеси «Сталь 3+бор. смесь+10 % Т15К6 ЭЭД» (64…67 HRC), превышая твердость стали 65Г в 1,7 раза.

Исследования электроискровых покрытий, нанесенных электродами из БрАЖ9-4 и опытной партией образцов из вторичной спеченной бронзы, полученной методом ЭЭД из лома БрАЖ9-4 (80 %), БрКМц3-1 (8 %), М1 (8 %) и прочего лома (4 %), показали:

  • средняя микротвердость бронзы БрАЖ9-4 (171 HV) превышает среднюю микротвердость спеченной бронзы (93 HV) в 1,78 раза;
  • средняя микротвердость покрытий, нанесенных методом ЭИО электродами БрАЖ9-4 (238–252 HV) превышает среднюю микротвердость покрытий, нанесенных электродами из спеченной бронзы (140–158 HV) в 1,7 раза.

 

Литература
  1. Бабич Б.Н., Вершинина Е.В., Глебов В.А. и др. Металлические и порошковые материалы: справочник. Москва, ЭКОМЕТ, 2005, 520 с.
  2. Лялякин В.П., Аулов В.Ф., Ишков А.В., Иванайский В.В., Кривочуров Н.Т., Соколов А.В., Коваль Д.В., Дрейер Х., Швамм В. Износ долот анкерных сошников сеялки primera dmc-9000, упрочненных комбинированными покрытиями, в условиях алтайского края. Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2014, № 12 (122), с. 124–132.
  3. Соловьев С.А., Иванайский В.В., Ишков А.В., Кривочуров Н.Т., Лялякин В.П., Аулов В.Ф. Износостойкие композиционные покрытия для рабочих органов сельхозмашин. Москва, РАН, 2019, 187 с.
  4. Осокин Е.Н., Артемьева О. А. Процессы порошковой металлургии: курс лекций. Красноярск, ИПК СФУ, 2008, 421 с.
  5. Ильющенко А.Ф., Лецко А.И., Талако Т.Л. Получение металлических порошков для аддитивных технологий. Порошковая металлургия. Сб. науч. тр. Минск, ГНПО Порошковой металлургии, ГНУ «Институт порошковой металлургии», 2017, с. 48–53.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.