Использование порошков с добавлением карбида вольфрама для плазменной наплавки рабочих органов глубокорыхлителей

Использование порошков с добавлением карбида вольфрама для плазменной наплавки рабочих органов глубокорыхлителей

П.Г. Учкин, аспирант, В.А. Шахов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Детали почвообрабатывающих машин работают в тяжёлых условиях и подвергаются постоянному абразивному износу, что приводит к изменению их геометрической формы и размеров. В связи с этим

возникает необходимость создания технологий их восстановления и упрочнения, а также создания износостойких материалов, повышающих долговечность рабочих органов.

Существует множество различных способов и технологий восстановления и упрочнения деталей. В последнее время в России и за рубежом нахо-

дит всё большее применение способ плазменной наплавки, а особенно плазменно-порошковая наплавка [1,2]. Она используется при восстановлении деталей в различных отраслях промышленности, в том числе и в сельском хозяйстве.

К особенностям плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения покрытий относятся:

— высокая производительность процесса;

— малая глубина проплавления основного металла;

— небольшая зона термического влияния;

— небольшая доля основного металла в покрытии;

— при наплавке получается гладкая и ровная поверхность покрытий, что позволяет оставлять припуск на обработку 0,4—0,9 мм либо совсем её не проводить.

Материал и методы исследования. Детали, работающие в абразивной среде, наиболее целесообразно наплавлять композиционными сплавами на основе карбида вольфрама. Ресурс деталей, наплавленных такими сплавами, в несколько раз больше, чем у сплавов, наплавленных высокохромистым чугуном, имеющим заэвтектическую структуру [3, 4].

Такие сплавы состоят из смеси карбидов и основы — связки, которая может быть никелевой, кобальтовой и на основе железа. Карбидная составляющая, в свою очередь, делится на смеси трёх типов: WC, WC/W2C, WC/Co, т.к. вольфрам может образовывать два карбида — монокарбид вольфрама WC и карбид дивольфрама W2C. Основа — связка

в этих сплавах выступает в роли связующей матрицы карбидов и основного материала детали. Связующая матрица подбирается таким образом, чтобы отсутствовало вязкое разрушение, поэтому используются связки, упомянутые выше, т.к. они имеют сравнительно низкую температуру плавления (1000—1100°С). Твёрдость и износостойкость даёт карбидная составляющая сплава [5].

В последнее время карбид вольфрама используется в различных формах. Это и нанокристал-лические карбидные частицы, отходы металлоке-рамических сплавов типов ВК или ВН (рис. 1а), это и макрокристаллический карбид вольфрама (рис. 1б) [5].

Однако на сегодняшний день в качестве материала чаще всего используется плавленый карбид вольфрама — релит (рис. 1в). Он обладает эвтектической структурой и содержит в себе оба вида карбида WC+W2C. Температура плавления сплава составляет «2700°С, а микротвёрдость — от НУ 1000 до НУ 2400 в зависимости от производителя [6]. Релит представляет собой крупку, получаемую дроблением слитков, выплавка которых происходит при температуре «3100°С.

Наряду с высокими противоизносными свойствами релит обладает рядом недостатков, которые связаны с процессом его получения. Главным недостатком является неоднородность зёрен: неодинаковые размерность и форма, трещины, дефекты, возникающие при литье.

При плазменно-порошковой наплавке порошки должны иметь хорошую сыпучесть, так как это обеспечивает стабильную подачу его дозирующими

Рис. 1 - Сплавы с карбидом вольфрама, получаемые различными способами:

а - зёрна сплава ВК-6; б - гранулы макрокристаллического WC; в - плавленый дроблёный WC+W2Q г - оплавленный WC+W2C

б

а

в

г

механизмами. Для этого частицы порошков должны обладать сферической формой.

Инженерами США и Канады был разработан способ получения релита со сферической формой частиц. Он основан на прохождении раздробленных зёрен карбида вольфрама через поток индукционной плазмы. В результате чего происходит оплавление частиц, которые приобретают сферическую форму, не изменяя при этом химический состав (рис. 1г). Однако у этого способа множество недостатков, среди которых высокие энергетические затраты, низкая производительность, большое количество отходов (до 30%), размерность частиц не превышает 200 мкм [5].

В ИЭС им. Е.О. Патона (г. Киев) была разработана технология термоцентробежного распыления слитков релита, при которой на выходе получается порошок с размерами частиц от 50 до 1000 мкм [5] (рис. 2). При этом способе гранулы получаются сферической формы и имеют однородный сте-хиометрический состав, шарообразную структуру, что обеспечивает высокую твёрдость (свыше НУ 3000) и прочность.

Результаты исследования. Исследованиями выявлено, что твёрдость и прочность сферических частиц релита в большей степени зависят от сте-хиометрического состава сплава WC+W2C. Для

получения микротвёрдости частиц свыше НУ 3000 необходимо, чтобы состав соблюдался в пределах 78-82% W2C и 18-22% WC. При этом должна быть мелкозернистая структура, которая получается в результате больших скоростей кристаллизации [7].

Ещё одной важной характеристикой сферических частиц карбида вольфрама является малая растворимость гранул в расплавленной ванне основного металла, т.к. при попадании в жидкую ванну происходит проникновение вольфрама в углеродную сетку, в результате чего образуется смесь хрупких карбидов железа и вольфрама, которые снижают износостойкость и прочность слоя [3].

Как говорилось выше, порошок релита сферической формы имеет высокую сыпучесть, что обеспечивает подачу смеси таким образом, чтобы воздействие температуры плазменной струи на частицы релита было максимально низким, тем самым защищая их от растворения. В данном случае концентрация карбида вольфрама в полученном слое будет превышать 50% (рис. 3) [8].

На качество полученного слоя при наплавке порошков на основе карбида вольфрама также влияет вид подачи матричного порошка (связки) и армирующей фазы (релита). Существует два способа - они подаются раздельно либо в виде смеси. В первом случае матричный порошок подаётся в

Рис. 2 - Конфигурация (а) и структура (б) сферических гранул плавленого карбида вольфрама

Рис. 3 - Структура слоя, полученного плазменно-порошковой наплавкой:

а - связка на основе железа + 50% WC+W2C; б - никелевая матрица + 50% WC+W2C

сопло плазмотрона, а карбид вольфрама — непосредственно в сварочную ванну. Во втором — порошки смешиваются в результате слияния двух струй из разных питателей перед входом в сопло плазмотрона [3].

Как показали исследования, при наплавке с раздельной подачей порошков растворимость релита будет меньше, чем при наплавке смесью. Следовательно, износостойкость в данном случае будет выше (при одинаковом содержании релита в сплаве равным 50%), т.к. при наплавке смесью необходимо существенно повышать силу тока для стабильного формирования шва, а значит, при этом увеличивается глубина проплавления основной детали.

Учитывая данные проведённых исследований, можно сделать вывод, что применение порошков на основе карбида вольфрама при плазменно-порошковой наплавке позволит повысить прочность и износостойкость рабочих органов почвообрабатывающих машин (лемеха плугов, долота глубокорыхлителей, лапы культиваторов и др.).

Для получения качественного покрытия при плазменной наплавке порошками с содержанием карбида вольфрама необходимо разработать физико-математическую модель процесса, которая учитывает количество тепла от плазменной дуги и расплавленного порошка и колебание температуры восстанавливаемой детали [9].

Тепловая мощность плазменной дуги, необходимая для расплавления основы порошка [9], определяется по формуле:

тк

Я = -

Уд

Вт,

Р

где т — расход порошка, г/с;

куд — удельная объёмная энтальпия расплавленного материала покрытия, Дж/см3; с — плотность основы порошка, г/см3. Расход порошка, необходимый для получения покрытия с равномерно распределёнными частицами карбида вольфрама, рассчитывается по формуле [9]:

т = 0,\¥нБкрмкп, г ,

где УН — скорость наплавки, м/ч;

Б — шаг наплавки, мм/об ^ = 0,4—0,5); к — толщина наплавленного слоя, мм; рМ — плотность наплавленного металла, г/см3. Для порошковых твёрдых сплавов на железной основе рМ = 7,4; для сплавов на никелевой основе рМ = 0,8;

кП — коэффициент, учитывающий потери порошка, кП = 1,12—1,17.

Скорость наплавки УН влияет на степень расплавления основы порошка и степень оплавления частиц карбида вольфрама [9]:

ун =^м1, м/ч ,

где аН — коэффициент наплавки, г/А-ч; у — плотность порошка, г/см3.

Погонная энергия процесса характеризует скорость охлаждения долота, которая зависит от размеров детали, структуры материала детали и температуры детали и порошка в процессе наплавки [9]:

ШД П

Е = -

Дж/см,

н

Н&1

где I — сила тока, А;

иД — напряжение дуги, В;

"Л — коэффициент использования энергии дуги

на проплавление наплавляемого материала.

Наличие возможности контроля соотношения между подачей порошка и тепловой мощностью дуги обеспечивает минимальное проплавление материала детали, что даёт возможность получения необходимой твёрдости и нужного химического состава наплавленного слоя на расстоянии 0,3—0,5 мм от поверхности. Также будёт наблюдаться высокая производительность и возможность однослойной наплавки.

Для реализации способа плазменно-порошко-вой наплавки для восстановления и упрочнения рабочих органов глубокорыхлителей в Оренбургском ГАУ была разработана технология восстановления долот глубокорыхлителей с одновременным упрочнением их рабочей поверхности карбидом вольфрама (заявка на изобретение № 2017116949) и предложена конструкция установки, на которой будет происходить процесс наплавки (заявка на изобретение № 2017123409).

Сущность технологии восстановления и упрочнения состоит в следующем. Проводится удаление изношенной режуще-лезвийной части долота и выравнивание обрезанного края рабочего органа. Затем из рессорно-пружинной стали вырезается пластина с необходимым размером, который определяется в зависимости от износа долота. Также можно использовать рессоры, которые потеряли упругость, но обладающие при этом требуемой твёрдостью (порядка 35 HRC).

После этого изготовленную пластину приваривают к восстанавливаемой детали при помощи электродуговой сварки и придают необходимый контур с формированием лезвия на обдирочно-шлифовальном станке.

Затем поверхность новой пластины упрочняется путём нанесения износостойкого покрытия, содержащего карбид вольфрама (не менее 50% от общей массы) на установке для плазменной наплавки рабочих органов глубокорыхлителей.

Конструкция установки разработана таким образом, чтобы восстанавливаемая деталь имела возможность перемещения в двух плоскостях и при этом осуществлялась необходимая жёсткость при наплавке, что обеспечит высокое качество наплавленного слоя.

Установка включает в себя станину со смонтированной на ней кареткой с зажимным устройством, в котором крепится наплавляемый рабочий орган. Каретка передвигается как в продольном направлении, так и в поперечном при помощи системы перемещения в пространстве, состоящей из шесте-рённых передач с приводом от электродвигателя. Весь процесс наплавки автоматизирован и осуществляется блоком управления, который связан с датчиками, контролирующими параметры температуры в зоне плавления и необходимой толщины шва. В зависимости от их показаний происходит регулирование скорости перемещения каретки в продольном направлении, подача порошка из питателя в сопло плазмотрона и работа плазменной дуги (зажигание и погасание). Плазмообразующим газом является аргон, в качестве транспортирующего может использоваться кислород либо аргон.

Вывод. В результате использования данных нововведений удаётся повысить износостойкость и твёрдость рабочих органов глубокорыхлителей в 5 раз, что экономически выгодно и технически целесообразно при восстановлении их рабочих поверхностей. Использование установки возможно как в условиях специализированных предприятий, так и в условиях ремонтных мастерских хозяйств [10].

Литература

1. Шахов В .А., Учкин П. Г.Технология восстановления и упрочнения рабочих органов глубокорыхлителей // Повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на внутренних и внешних рынках: матер, между-нар. конгресса. СПб.: Экспофорум, 2017. С. 222—223.

2. Практикум по ремонту сельскохозяйственных машин / С.А. Соловьев, В.Е. Рогов, В.П. Чернышёв, В.А. Шахов, И .А. Бунин. М.: Колос, 2007. 336 с.

3. Сом А.И. Плазменно-порошковая наплавка композиционных сплавов на базе литых карбидов вольфрама // Автоматическая сварка. 2004. № 10 (618). С. 49-53.

4. Практикум по надёжности технических систем сельскохозяйственных машин: учебное пособие / В.Е. Рогов, В.П. Чернышев, В.А. Шахов, П.Г. Учкин. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2012. 75 с.

5. Жудра А.П. Наплавочные материалы на основе карбидов вольфрама //Автоматическая сварка. 2014. № 6/7. С. 69—74.

6. Соловьев С.А., Шахов В.А., Аристанов М.Г. Технология восстановления лемеха плуга фирмы LEMKEN // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 113. С. 245-248.

7. Шахов В.А., Аристанов М.Г. Надёжность культиватора SMARAGD EEMKEN в условиях Оренбургской области // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 2 (SIO).'C. 166-168.'

8. Аристанов М.Г. Повышение долговечности лемехов плугов фирмы EEMKEN / М.Г. Аристанов, В.А. Шахов, A.A. Авер-киев, В.И. Квашенников // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 1 (34). С. 57—59.

9. Быков В.В. Проектирование технологических процессов восстановления деталей транспортных и технологических машин/В.В. Быков, И.Г. Голубев, В.В. Каменский, В.В. Кле-вакин. 2-е изд., перераб. и доп. М.: МГУЛ, 2013. 64 с.

10. Курсовое проектирование по организации ремонта в мастерских хозяйств: учеб. пособие / В.П. Чернышев, В.А. Шахов, П.Г. Учкин. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2015. 82 с.