Исследование лазерной наплавки чугуна подачей порошка пг-фбх-6-2 в зону оплавления

Ориентирование и перемещение частиц в процессе электроконтактного спекания с одновременным приложением внешнего давления позволяет получить плотность медь-карбидкремниевого материала до 95%.

Выводы. Микрографический анализ электроспе-чённых материалов на основе меди с добавлением карбида кремния показал следующее:

Порошок карбида кремния содержит в основном (на 85%) частицы размером 8,5—25,5 мкм. Размеры частиц меди составили от 5 до 44 мкм, у бронзы — от 80 до 205 мкм.

Кратковременность протекания процесса электроконтактного спекания (от 8 до 20 сек.) позволила сохранить целостность кристаллов карбида кремния.

Ориентирование частиц карбида кремния объясняется равноплотной укладкой порошкового материала уже на стадии свободной насыпки в пресс-форму.

Ориентирование кристаллов, связанное с их линейным и угловым перемещениям под действием вращательного момента, позволяет получить плотность материала до 95%.

Литература

1. Рожкова Т.В., Филатов А.С. Антифрикционный материал на основе меди с карбидом кремния // Современные научно-практические решения в АПК: сб. статей II все-рос. (национальной) науч.-практич. конф. (г. Тюмень, 26 октября 2018 г.) / ГАУ Северного Зауралья. Тюмень, 2018. С. 419 - 423.

2. Цеменко В.Н. Теория порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов: учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. 180 с.

3. Рожкова Т.В. Формирование структуры и свойств материалов на основе меди с карбидом кремния при электроконтактном спекании: дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2004. 160 с.

4. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. М.: Металлургия, 1977. 216 с.

5. Францевич И.Н. Карбид кремния. Свойства и области применения. Киев: Наукова думка, 1975. 250 с.

6. Рожкова Т.В. Физико-механические характеристики порошковых материалов на основе меди // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2016. № 1. С. 150 - 155.

7. Рожкова Т.В. Исследование новых способов электроконтактного спекания порошковых материалов // Вестник государственного аграрного университета Северного Зауралья.

2016. № 2. С. 122 - 129.

8. Рожкова Т.В., Кусков В.Н., Смолин Н.И. Исследование деформационного механизма порошкового материала на основе меди // Агропродовольственная политика России.

2017. № 12. С. 155 - 161.

Исследование лазерной наплавки чугуна подачей порошка ПГ-ФБХ-6 -2 в зону оплавления

А.С.Иванов, к.т.н., Т.Г.Колмакова, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

Микроструктура чугунных наплавляемых деталей имеет различное строение в зависимости от размера и расстояния от поверхности [1, 2]. При исследовании поперечного сечения чугунной детали (рис. 1) отмечено, что деталь имеет ферритно-перлитную структуру (рис. 2) как и большинство деталей из чугуна [3].

Рис. 1 - Наплавляемые поверхности чугунной детали

Содержание перлита в разных сечениях колеблется в пределах 30—70%. У графита во внутренних

частях детали пластинчатая гнездообразная форма, однако ближе к поверхности ширина пластин графита увеличивается. Количество аустенита в структуре незначительно. При лазерном нагреве происходит измельчение структуры: величина графитных пластин уменьшается со 150—200 мкм до 20—40 мкм в оплавленной зоне, далее по глубине размер их увеличивается до исходного значения (рис. 3). В оплавленной зоне графит частично растворяется, частично выгорает, образуя поры [4].

Поэтому при лазерной наплавке поверхностей, которые подвергались интенсивному износу, целесообразно проводить лазерную закалку тех поверхностей, износ которых возможен в процессе последующей эксплуатации [5, 6].

Материал и методы исследования. Для получения покрытий выбран способ газопорошковой лазерной наплавки [7]. Получение покрытия с заданными параметрами (химическим составом, размерами и качеством наплавляемых валиков) зависит от режимов облучения: мощности, скорости обработки, размеров фокального пятна, расхода порошка и способа его подачи.

При выборе предварительных режимов обработки в качестве материала основы использовали сталь Ст3. Применение стали объясняется двумя причинами. Во-первых, наплавляемые детали отличаются сложностью конструкции, разной толщиной

Рис. 2 — Микроструктура чугунной детали

Рис. 3 — Микроструктура чугуна зоны лазерного воздействия

стенок, так что вырезать образец приемлемых размеров не удаётся. Во-вторых, наплавка чугуна сопровождается интенсивным газовыделением из-за выгорания графита и соответственно повышенной пористостью покрытия, вследствие чего составить объективное заключение о качестве покрытия затруднительно. Образцы из стали Ст3 имели размеры 40^40x10 мм. Для уточнения режимов обработки наплавку проводили на деталях. Для исследования наплавленного слоя использовались металлографический, дюрометрический и микро-рентгеноспектральный методы.

Микроструктуру, микротвердость и распределение элементов по глубине наплавленного слоя изучали на шлифах, изготовленных в поперечном сечении образца или детали. Микроструктуру основы исследовали на нетравленых шлифах и после травления в 4-процентном растворе азотной кислоты. Наплавки из порошка ПГ-ФБХ-6-2 травили электролитически в реактиве состава: 95 см3 — этиловый спирт, 5 см3 — соляная кислота, 1 см3 — уксусная кислота при напряжении 3 В, токе 100 мА в течение 5 с. Микротвёрдость покрытий измеряли по их толщине на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках 0,49 и 0,98 Н.

В качестве материала для наплавки использовались самофлюсующиеся порошки, их смеси, а также добавки к ним железного порошка марки ПЖ1. Порошки имели гранулометрический состав 50—160 мкм. Химический состав наплавляемых порошков (по средним значениям) приведён в таблице 1. Порошки перед наплавкой просушивали при температуре 100—150°С в течение 1 часа.

Для исследования структуры и свойств наплавленного слоя заготовка детали, подлежащей восстановлению, обтачивалась по поверхностям Г, З, N (рис. 1). Заготовка закреплялась в трёхкулач-ковом патроне вращателя по внешнему цилиндру, в отверстия вставлялись технологические пробки из меди. При обработке поверхности Г использовались вкладыши по внутреннему и внешнему диаметрам, при этом вкладыши несколько выступали — на 1,5—2,0 мм — над поверхностью Г, чтобы порошок подавался точно в канавку. Порошок транспортировался аргоном или углекислым газом под давлением 50 МПа и насыпался перед лучом или непосредственно в зону воздействия излучения. Последнее возможно при использовании порошков одной фракции с размером частиц не менее 50 мкм. Вращатель обеспечивал регулировку скорости от 0,4 до 20 об/мин. Расход порошка регулировался по зазору питателя в пределах 1 — 10 г/мин.

Результаты исследования. Были исследованы детали, наплавленные порошком ПГ-ФБХ-6-2. При наплавке порошком ПГ-ФБХ-6-2 изношенных поверхностей детали получали слои различного качества.

Основным дефектом являлось наличие пор, количество и расположение которых зависит от режимов обработки и толщины наплавляемого

1. Химический состав исследованных порошков

Марка Содержание элементов, % по массе

С N1 Сг Fe Мп В Т1 N

ПГ-ФБХ-6-2 4,5 - 34,5 1,75 осн. 2,75 1,65 - -

ПГ-ФБХ-6-2/ПН55Т45* 3,42 13,7 25,9 1,31 осн. 2,06 1,23 11,25 0,025

Примечание: * порошки смешивали в соотношении 3/1 по массе.

слоя. Наплавку поверхности Г проводили по режиму: мощность 1,2 кВт, скорость вращения 2 об/ мин, расход порошка 7 г/мин. Толщина наплавленного слоя на поверхности Г составляла 1,2—1,3 мм при зоне термического влияния (ЗТВ) 0,6 мм, на поверхности З наплавка 1,5 мм, ЗТВ — 0,6 мм, на поверхности N наплавка 0,6 мм, ЗТВ — 0,9 мм. При одинаковых режимах обработки наплавки имели аналогичные дефекты. Так, на поверхностях Г и З толщина наплавки и ЗТВ имели близкие значения, на границе сплавления покрытия с основным металлом образуются поры, а в некоторых случаях — трещины (рис. 4). Причины образования трещин не ясны, но, во всяком случае, пористость на границе сплавления оказывает существенное влияние, так как некоторые трещины являются каналами выхода газов.

Рис. 4 - Наплавка из порошка ПГ-ФБХ-6 -2 (увеличено в 130 раз): а - общий вид; б - переходная зона

При малой толщине покрытия (поверхность N газы, образовавшиеся при выгорании графита, успевали всплыть и удалиться с поверхности, при этом кристаллизационных трещин не обнаружено.

При высоте покрытия 1,3 мм глубина переходной зоны составляла 0,35 мм. Переходная зона представляет собой непрерывный ряд твёрдых растворов, в котором содержание железа монотонно убывает, а хрома и марганца возрастает. В среднем в переходной зоне содержится около 55% железа, 34% хрома, 4% марганца, 1,1% кремния.

Начиная от переходной зоны и до кромки образца, структура покрытия дендритная, причём размер дендритов увеличивался от переходной зоны к кромке покрытия. Соответственно с увеличением размера дендритов увеличивалась междендритная ликвация. Данные по содержанию элементов в осях дендритов и междендритных промежутках приведены в таблице 2.

2. Распределение элементов в наплавке порошком ПГ-ФБХ-6 -2

Зона Содержание элементов, % массы

Бе Сг 81 Мп

Оси дендритов 40 50 0 4,0 - 4,6

Междендритные прослойки 60 17 - 26 2,6 4,0 - 4,6

Из концентрационных кривых распределения элементов видно, что марганец распределён в покрытии равномерно. В осях дендритов содержание кремния падает до нуля, железа — до 40%, а содержание хрома увеличивается до 50%. В междендритных промежутках, наоборот, содержание хрома падает до 17—26% (в зависимости от величины дендрита), а железа и кремния увеличивается ^е - до 60%, - до 2,6%).

Несмотря на междендритную ликвацию, поскольку размер дендритов достаточно мал, микротвёрдость покрытия была распределена достаточно равномерно (исключая переходную зону) и составляла 10,2-11,7 ГПа (рис. 5).

О ! 2 5 в 7~ г i Расстояние от поверхности, мм

Рис. 5 - Микротвёрдость покрытия из порошка ПГ-ФБХ-6-2, мощность 1,2 кВт, поверхность: а - диаметр 58 мм; б - диаметр 38 мм.

Выводы. В участках с наиболее полным растворением графитных пластин формируется аустенито-мартенситная структура с твёрдостью до 8,0—9,5 ГПа. В участках с меньшей степенью растворения графита образуется мартенсито-сорбитная структура с твёрдостью 6,5 — 7,0 ГПа.

В зоне лазерного воздействия твердость чугунных наплавляемых деталей повышается в 3—4 раза, что обеспечивает значительное повышение износостойкости.

Литература

1. Александров В.Д., Шашков Д.П., Пищулин Д.Н. Лазерная обработка чугунных изделий // Вестник Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета). 2006. № 6. С. 28 — 35.

2. Гилев В.Г., Торсунов М.Ф., Морозов Е.А. Лазерное легирование чугуна нирезист ЧН16Д7ГХ подачей порошка ВТ-20 в зону оплавления // Металлообработка. 2016. № 5 (95). С. 25 - 30.

3. Chen Z.-K., Zhou T., Zhao R.-Y., Lu S.-C., Yang W.-S., Zhou H., Zhang H.-F. Improved fatigue wear resistance of gray cast iron by localized laser carburizing // Materials Science and Engineering: A. 2015. Т. 644. С. 1 - 9.

4. Токарев А.О. Улучшение триботехнических характеристик серого чугуна лазерной обработкой // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 1. С. 69 - 73.

5. Колмакова Т.Г., Иванов А.С. Применение газопорошковой лазерной наплавки в сельскохозяйственной технике // Теория и практика современной аграрной науки: сб. национал. (всерос.) науч. конф. Новосибирск: Новосибирский государственный аграрный университет, 2018. С. 182 — 185.

6. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 664 с.

7. Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Исследование покрытий на стальных деталях сельскохозяйственной техники, нанесённых с помощью газопорошковой лазерной наплавки // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5(73). С. 172 — 176.

Обоснование конструктивных параметров электрофильтра-озонатора

Л.Н.Андреев, к.т.н., Е.А. Басуматорова, аспирантка, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья

Очистка и обеззараживание воздушной среды производственных помещений от аэрозольных (пылевых) частиц и микроорганизмов является обязательным условием нормального функционирования агропромышленного комплекса. Показатель заболеваемости, определённый микробиологическим загрязнением воздушной среды производственных помещений, в настоящее время остаётся на высоком проблемном уровне. Большое количество патогенных микроорганизмов передается воздушным и воздушно-капельным путём. Особенно критически эта проблема стоит в местах большого скопления людей и в крытых, мало вентилируемых помещениях, а также в помещениях с рециркуляцией воздуха. Основная задача процесса обеззараживания воздуха - предотвращение распространения заболеваний.

Наиболее опасным воздействием современного сельскохозяйственного производства на окружающую среду считается выброс загрязняющих веществ в атмосферу. При этом для получения качественной продукции предприятий АПК по переработке и хранению мяса, молока, яиц и т.д., а также для нормального функционирования лабораторий проверки качества продукции, ветеринарных лабораторий, аптек, лечебниц предъявляются повышенные требования к чистоте воздуха указанных помещений [1 — 3].

Принцип работы многих электрофильтров основан на использовании коронного разряда, одним из побочных продуктов которого является озон. Известно, что наличие озона в воздухе поме-

щения сверх предельно допустимой концентрации (ПДК) приводит к коррозии оборудования и отрицательному воздействию на людей и животных.

Сравнение технических характеристик фильтров, показало, что наиболее полно требованиям к установкам очистки и обеззараживания воздуха на предприятиях сельскохозяйственной продукции отвечает электрофильтр-озонатор.

Для высокоэффективной очистки и обеззараживания воздуха производственных помещений на предприятиях АПК разработан специальный мокрый однозонный электрофильтр. Разработана методика расчёта основных конструктивных параметров мокрого электрофильтра, в частности, формула перехода от длины осадительного электрода к радиусу осадительного электрода, а также обоснована скорость вращения осадительных электродов.

Цель исследования — повышение эффективности и снижение энергозатрат технологических процессов АПК за счёт высокоэффективной очистки рециркуляционного воздуха и одновременного насыщения его озоном.

Для достижения эффективной очистки воздуха и насыщения его озоном в электрофильтре-озонаторе, состоящем из корпуса с вентилятором, установленным в торцевой части корпуса, продувающим воздух через систему проволочных коро-нирующих электродов, получающих отрицательный потенциал от источника высокого напряжения, расположенных между заземлёнными осади-тельными электродами и представляющими собой металлические прямоугольные пластины, межэлектродное расстояние составляет 26 — 28 мм, расстояние между коронирующими электродами