Оценка эффективности применения порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении коленчатых валов двигателей автотракторной техники плазменно-порошковой наплавкой

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ, ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ ПЛАЗМЕННО-ПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКОЙ

Е.В. Агеев, В.В. Серебровский, Б.А. Семенихин, Е.В. Агеева, Р.А. Латыпов

Аннотация. В статье представлены результаты оценки эффективности применения порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания автотракторной техники плазменнопорошковой наплавкой.

Ключевые слова: отходы твердых сплавов, элек-троэрозионное диспергирование, порошок, плазменнопорошковая наплавка, свойства плазменных покрытий.

Организация восстановления изношенных деталей автотракторной техники является важным резервом удовлетворения народного хозяйства запасными частями, а также снижения расходов материальных и трудовых ресурсов. К моменту списания автотракторной техники для повторного использования путем восстановления пригодно 65-75% деталей.

Применение для восстановления изношенных деталей современных методов нанесения покрытий и, в первую очередь, с использованием порошковых твердых сплавов способствует значительному повышению их долговечности.

Использование порошков, полученных из отходов твердых сплавов, а не промышленно выпускаемых (достаточно дорогих), в качестве высокотвердой и износостойкой дисперсной составляющей композиций, позволит повысить качество, надежность и долговечность покрытий коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с минимумом затрат на порошковые материалы.

Промышленные способы получения порошковых материалов из отходов твердых сплавов, такие, как окисление-восстановление, цинковый метод, имеют ряд недостатков: крупнотоннажность, энергоёмкость, большие производственные площади, а также экологические проблемы (сточные воды, вредные выбросы). Более перспективным методом получения порошковых материалов из отходов твердых сплавов, отличающимся относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса, является метод электроэрозион-ного диспергирования (ЭЭД) [1.-С. 12-15]. Процесс ЭЭД представляет собой разрушение любого токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.

На разработанной авторами экспериментальной установке [2.-С. 142-146, 3.-С. 144-147, 4.-С. 234-237] методом электроэрозионного диспергирования были получены порошки из отходов твердых сплавов марок ВК8 и Т15К6. Далее были исследованы их физи-ко-технологические свойства, которые, как показали результаты исследований, мало отличаются от свойств промышленно выпускаемых порошков, а по некоторым параметрам превосходят их и значительно дешевле [5.-С.34-37, 6.-С. 146-150].

Проведенные исследования позволили наметить перспективные направления применения порошков, полученных методом ЭЭД из отходов твердых сплавов, а именно:

- плазменно-порошковая наплавка (ППН);

- наплавка под слоем флюса;

- наплавка в среде защитных газов;

- гальваническое нанесение покрытий (железне-ние, хромирование, никелирование);

- детонационное напыление;

- плазменное напыление;

- добавки при изготовлении пластин спеченных твердых сплавов и др.

Целью настоящей работы являлась оценка эффективности применения порошков, полученных ЭЭЭ из отходов твердых сплавов, при восстановлении и упрочнении коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автотракторной техники плазменно-порошковой наплавкой.

За объект промышленного опробования технологии плазменной твердосплавной порошковой наплавки был принят коленчатый вал двигателя марки СМД-18, устанавливаемый на тракторы ДТ-75, комбайны «Нива» и другую сельхозтехнику (рисунок 1).

Коленчатый вал - это одна из наиболее ответственных, дорогостоящих, а также сложных в изготовлении и ремонте деталей двигателя. Причем стоимость нового вала в 4 - 6 раз выше стоимости восстановленного. Особенно ощутима эта разница для коленчатых валов двигателей автотракторной техники импортного производства, доля которых в общем объеме машинно-тракторного парка нашей страны с каждым годом неуклонно возрастает. Процесс постепенного изменения размеров, т. е. изнашивание трущихся поверхностей коленчатого вала ДВС является нежелательным, но неизбежным. Причем основным видом изнашивания коленчатого вала является абразивное, которое получается в результате режущего и царапающего действия посторонних частиц. На сегодняшний день коленчатые валы ДВС успешно ремонтируются в пределах своих ремонтных размеров путем шлифования. Но стоит размерам вала выйти из ремонтных, как появляются трудности с наращиванием и упрочнением поверхностей.

При постановке экспериментов по восстановлению изношенных шеек коленчатых валов двигателя СМД-18 в условиях ремонтного предприятия ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курска с использованием твердосплавных порошков использовалась установка для наплавки УД-209 на основе переделанного токарного станка, выпрямитель сварочный ВДУ-506, представленные на рисунке 2.

В качестве плазмообразующего, транспортирующего и защитного газа использовался аргон по ГОСТ 10157 - 79. В качестве порошкового материала использовалась промышленная смесь композиции порошков, изготовленных Тульским заводом «Поле-ма» по ТУ 14-22-26-90 с различным добавлением порошков, полученных ЭЭД отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6 в дистиллированной воде и керосине.

При анализе свойств плазменных покрытий, полученных с добавлением твердосплавного порошка, установлено следующее:

1. Твердость плазменных покрытий, полученных с добавлением твердосплавных порошков ВК8 и Т15К6 к промышленной композиции, выше твердости плазменных покрытий, полученных с использованием только промышленной композиции, и характер ее изменения зависит от физико-технологических свойств полученного порошка (рисунок 3).

б)

Рисунок 1 - Общий вид: а) двигателя СМД-18; коленчатого вала двигателя СМД-18

Рисунок 2 - Установка для плазменно-порошковой наплавки

нас (

а')

б)

Рисунок 3 - Зависимость твердости наплавленного слоя (НЯС) от массовой доли (V масс.) в промышленной композиции, порошка, полученного в воде (1) и керосине (2): а) ВК8; б) Т15К6

а;

Г ГТа

О 0.25 0 5 0 75 1.0 1.25 1.50 8., мм

б)

Рисунок 4 - Распределение микротвердости (Нц) по глубине плазменного покрытия Б, полученного с использованием порошка Т15К6 а) в воде; б) в керосине: 1-10 %5 2 - 20 % . 3 - 50 % , 4 - промышленный порошок

V X .V І.^V О., Л* ЯК

а) б)

Рисунок 5 - Распределение микротвердости по глубине плазменного покрытия 8, полученного с использованием порошка ВК8 а) в воде; б) в керосине: 1-10%, 2-20%,3 - 50 % . 4 - промышленный

порошок

2. Отличительной особенностью практически всех плазменных покрытий, полученных с добавлением твердосплавного порошка, является распределение элементов состава покрытия по его глубине, что наглядно подтверждают кривые распределения микротвердости, представленные на рисунках 4 и 5. Причем максимум микротвердости всех плазменных покрытий приходится на глубину 0,5 мм.

3. Анализ микроструктур плазменных покрытий показал, что использование твердосплавных порошков, полученных в керосине, приводит к образованию трещин у поверхности покрытий (рисунок 6), что связано с присутствием в них относительно большого количества свободного углерода, составляющего в ВК8 2,13%, а в Т15К6 6,21%. Но данный дефект устраним на последующей за наплавкой механической обработкой, связанной со снятием слоя припуска (шлифование в ремонтный размер) [7,-С.-56-64].

4. Относительная износостойкость плазменных покрытий после добавления в промышленную композицию твердосплавных порошков возрастает, причем с ВК в большей степени, чем с ТК, поскольку в порошке, полученном из Т15К6, количество свободного углерода значительно больше, чем в ВК8. Также установлено, что добавление твердосплавного порошка, полученного в воде, дает больший прирост относительной износостойкости, чем твердосплавными порошками, полученными в керосине, что связано также с различными значениями их физико -

.......'...

1

.^

<Тч:

I

Рисунок 6 - Микроструктура покрытия, полученного с использованием твердосплавных порошков, полученных в керосине, х 550

технологических свойств и наличием свободного углерода в виде мелкодисперсной сажи в последнем случае. Характер изменения относительной износостойкости плазменных покрытий в основном коррелирует с характером изменения их твердости [8.-С. 10-13].

5. В процессе нанесения плазменных покрытий ППН с добавлением к промышленной композиции твердосплавных порошков было отмечено изменение геометрических параметров покрытий при изменении состава композиции. Для выявления этого эффекта были наплавлены одиночные валики ППН с добавлением твердосплавных порошков. Основными геометрическими параметрами наплавленных валиков являются высота и ширина наплавочного валика, а также глубина проплавления. Изучение геометрических параметров наплавочных валиков показало, что на их размеры оказывает состав порошковой композиции и массовая доля твердосплавного порошка. Причем существует определенная связь, характерная для всех композиций, между высотой наплавочного валика и глубиной проплавления. При увеличении высоты валика глубина проплавления уменьшается и наоборот, что связано с распределением теплоты наплавочной ванны. При добавлении твердосплавных порошков, полученных в керосине, глубина проплавления возрастает, а высота валика снижается, поскольку увеличение количества углерода способствует увеличению жидкой фазы. Отмечено, что наилучшими геометрическими параметрами, с точки зрения последующей за наплавкой механической обработки, обладают валики, полученные с добавлением порошков из ВК8 [9,- С. 216-220].

6. Анализ твердости, износостойкости и геометрических показателей плазменных покрытий показал, что покрытия, полученные с добавлением порошков из ВК8, являются наиболее приемлемым вариантом для восстановления и упрочнения коленчатых валов ДВС. Основными служебными свойствами плазменных покрытий коленчатых валов, определяющими их ресурс, являются твердость и износостойкость, которые, как показали результаты экспериментов, коррелируют между собой. Из перечисленных свойств наиболее просто и достоверно определяется твердость. Поэтому оптимизацию состава порошков с целью улучшения качества плазменных покрытий коленчатых валов для ППН проводили по твердости покрытий, полученных с использованием

порошков ВК8. Для достижения максимальной твердости плазменных покрытий необходима постановка полного факторного эксперимента. Для постановки факторного эксперимента были выбраны уровни и интервалы варьирования факторов. В результате был получен оптимальный состав порошков для ППН коленчатых валов ДВС с добавлением порошка сплава ВК8, полученного методом ЭЭД в дистиллированной воде [10,- С.422—427].

Таким образом, проведенные исследования и апробация технологии плазменно-порошковой наплавки с добавлением твердосплавных порошков в условиях ремонтного предприятия ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курска подтвердили эффективность применения порошков, полученных методом ЭЭД из твердых сплавов марок ВК8 и Т16К6, при восстановлении и упрочнении коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания СМД-18 с повышением их ресурса в среднем на 20%.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список использованных источников

1 Агеев, Е.В. Выбор метода получения порошковых материалов из отходов спеченных твердых сплавов / Е.В. Агеев, Б.А. Семенихин // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: Изд-во Самарского науч. ц-ра РАН. - 2009. - Спец. вып.: Актуальные проблемы машиностроения-С. 12-15.

2 Агеев, Е.В. Выбор оборудования для получения порошковых материалов методом электроэрозионного диспергирования / Е.В. Агеев, Б. А. Семенихин//Материалы и технологии XXI века: сб. ст. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. - С. 142-146.

3 Агеев, Е.В. Разработка генератора импульсов установки электроэрозионного диспергирования / Е.В. Агеев, Б. А. Семенихин, Р.А. Латыпов // Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы. Диагностика - 2009: сб. матер, междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч. - Ч. 2. - Курск, 2009. - С. 144— 147.

4 Агеев, Е.В. Разработка установки для получения порошков из токопроводящих материалов /Е.В. Агеев и [др.] // Известия Самарского научного центра РАН. -Самара: Изд-во Самарского науч. ц-ра РАН. - 2009. -Т. 11 (31), №5(2).- С. 234-237.

5 Агеев, Е.В. Особенности технологии получения порошковых наплавочных материалов методом электроэрозионного диспергирования отходов твердых сплавов для наплавки шеек коленчатых валов / Е.В. Агеев, МЕ. Сальков // Технология металлов. - 2008. -№5. -С. 34-37.

6 Агеев, Е.В. Исследование химического состава порошков, полученных из отходов твердых сплавов методом электроэрозионного диспергирования / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: матер. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Курск, 2006. -

Ч. 2. - С. 146-150.

7 Агеев, Е.В. Исследование микроструктуры плазменных покрытий, полученных с добавлением порошков отходов твердых сплавов / Е.В. Агеев, Б.А. Семенихин, Р.А. Латыпов // Славяновские чтения (Сварка -XXI век): Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 кн. - Кн. 2.

- Липецк: ЛГТУ, 2009. - С. 56 - 64.

8 Агеев, Е.В. Исследование влияния твердосплавных порошков на износостойкость плазменных покрытий коленчатых валов / Е.В. Агеев, Б.А. Семенихин // Проблемы и достижения автотранспортного комплекса: сб. матер. VII Всерос. науч.-техн. конф. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. - С. 10-13.

9 Агеев, Е.В. Управление геометрическими параметрами плазменных покрытий составом исходной композиции / Е.В. Агеев // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: матер. VI Междунар. науч.-техн. конф. -Курск, 2008. - С. 216-220.

10 Агеев, Е.В. Определение оптимального состава порошков для плазменной твердосплавной порошковой наплавки коленчатых валов ДВС / Е.В. Агеев // Современные проблемы машиностроения: тр. IV Между-нар. науч.-техн. конф. - Томск: ТПУ, 2008. - С. 422-427.

Информация об авторах

Агеев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageev_ev@mail.ru. Тел. 8-904-526-55-07.

Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, Юго-Западный государственный университет, E-mail: serebrowski v_vi@mail.ru, тел. (4712)39-40-28.

Семенихин Борис Анатольевич, ст. преподаватель кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail: borisss@bk.ru. Тел. 8-903-633-75-62.

Агеева Екатерина Владимировна, ст. преподаватель кафедры физической химии и химической технологии Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageeva-ev@vandex.ru. Тел. 8-904-525-50-70.

Латыпов Рашит Абдуахакович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии сварочных процессов Московского государственного вечернего металлургического института. E-mail: latipov46@mail.ru. Тел. (499) 267-58-10.