Упрочнение рабочих органов сельскохозяйственной техники вторичными твердосплавными материалами

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

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

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

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.