научная статья по теме ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ “ВАЛ – ВКЛАДЫШ” ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ “ВАЛ – ВКЛАДЫШ” ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 5, 2013

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

УДК 621.891.22

© 2013 г. Бирюков В.П., Лаптева В.Г., Хренникова И.А., Татаркин Д.Ю.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ "ВАЛ - ВКЛАДЫШ" ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ

Представлены результаты металлографических и трибологических испытаний образцов стали 38ХН3МА, наплавенных порошковыми материалами на основе никеля с использованием излучения волоконного лазера. Определены микротвердость, интенсивность изнашивания, задиростойкость и антифрикционные свойства пары трения баббит Б83 — наплавленные слои покрытий. Разработанная технология лазерной наплавки рекомендуется как для восстановления изношенных поверхностей трения, так и для обработки новых деталей для повышения их надежности и долговечности при эксплуатации.

В современном машиностроительном производстве важнейшей задачей является повышение ресурса работы деталей и узлов трения выпускаемой и введенной ранее в эксплуатацию техники. Такие детали, как валы электрических машин, роторы газоперекачивающих станций, коленчатые валы выходят из эксплуатации по причине износа посадочных поверхностей. В настоящее время парк эксплуатируемого оборудования и машин имеет износ подобных узлов трения в пределах 60—80%. Технологии восстановления рабочих поверхностей позволяют продлить работоспособность машин. К таким технологиям относится восстановление рабочих размеров деталей лазерной порошковой наплавкой [1—4]. Замена одного ротора газоперекачивающей станции составляет в среднем 15 млн. рублей, а стоимость восстановления шейки ротора лазерной наплавкой находится в пределах 100—200 тыс. рублей в зависимости от типоразмера ротора, что свидетельствует о высокой эффективности рассматриваемого процесса восстановления.

Целью настоящей статьи является определение наиболее износостойкого лазерного покрытия в зависимости от применяемой марки наплавляемого порошка и режима наплавки при восстановлении изношенных деталей баббитовый вкладыш подшипни-ка—вал.

Технология наплавки образцов. Для нанесения покрытий применена лазерная коаксиальная наплавка, являющаяся наиболее универсальным способом создания однородных и композитных покрытий на плоских и трехмерных поверхностях. В процессе лазерной наплавки с коаксиальной подачей порошка транспортирующий газ формирует струю наплавляемого присадочного материала, который подается в зону воздействия лазерного излучения симметрично со всех сторон сжимающимся в фокус кону-

Наиме-

Размер

Состав, % (масс)

нование порошка частиц, мкм C Si B Fe Cr Al Ni

1535-30 53-150 0,25 3,0 1,0 2,4 5,6 1 База

1535-40 0,25-0,4 3,4-3,9 1,1-1,4 2,6-3,4 6,4-7,6 - База

сом, и переплавляется под воздействием мощного лазерного излучения. На поверхности подложки возникает ванна расплава, которая после затвердевания формирует единичный наплавленный валик. Плотное покрытие большой площади получают в результате наложения единичных валиков с перекрытием 30—50% от диаметра лазерного луча.

При лазерной наплавке использовали порошки на основе никеля фирмы "Hoga-nas", Швеция, составы которых приведены в табл. 1. Видно, что порошки отличаются, главным образом, наличием 1%Al в порошке 1535-30 и несколько большим количественным содержанием легирующих элементов (Si, B, Fe, Cr) в порошке 1535-40.

Для выполнения экспериментов с порошками на основе никеля 1535-30 и 1535-40 выбраны следующие технологические параметры установки HUFFMANHC-205, оснащенной волоконным лазером ЛС-3,5 мощностью 3500 Вт, изготовленным в ООО НТО "ИРЭ-Полюс" [4]: массовый поток порошка 1.5—6 г/мин; давление аргона 2 атм; поток аргона 3 л/мин. Наплавку порошка 1535-30 на образцы диаметром 48 мм производили по двум режимам I и II, отличающимся уровнем энергии воздействия.

Методы исследований. Микроструктуру наплавленных покрытий исследовали с помощью оптического металлографического микроскопа Neophot-30 производства фирмы Carl Zeiss JENA с увеличением до 500 крат.

Для выявления микроструктуры наплавленных покрытий образцы были подвержены химическому травлению. Для травления использовали раствор, состав которого 5 мл HF + 5 мл HNO3 + 25 мл C2H5OH. Время травления составляло ~2 с. С целью изучения тонкой структуры микрошлифов наплавленных покрытий образцы исследовали в растровом электронном микроскопе марки EVO 50 производства фирмы Carl Zeiss (Германия); ускоряющее напряжение 30 кВ.

Микротвердость образцов измеряли на приборе ПМТ-3 при величине нагрузки P = 1 Н и времени выдержки под нагрузкой т = 15 с по ГОСТ 9450-76.

Испытания на износостойкость материалов проводили на машине трения МИ-1 по схеме колодка—валик, в которой валик совершает вращательное движение относительно неподвижной колодки, к которой прикладывали нагрузку [5].

Испытаниям на износостойкость подвергали различные сочетания материалов. Износостойкие покрытия на основе Ni наносили на образцы-валики из среднеуглероди-стой легированной стали 38ХН3МА (ГОСТ 4543-71) в нормализованном состоянии, имеющей следующий состав: 0,33-0,4% C, 1,2-1,5% Cr, 3-3,5% Ni, 0,35-0,45% Mo. Исследовано три вида лазерного покрытия: 1) порошок 1535-30, нанесение по режиму I; 2) порошок 1535-30, нанесение по режиму II; 3) порошок 1535-40, нанесение по режиму I. Испытывали также образцы-валики без покрытия. Образцы-колодки изготавливали из углеродистой качественной стали 35 в нормализованном состоянии (ГОСТ 1050-88). На рабочие поверхности образцов-колодок наносили баббитовое покрытие. Материал покрытия образцов-колодок - баббит Б83 на оловянной основе (ГОСТ 1320-74), имеющий состав: 83% Sn, 11% Sb, 6% Cu. Испытывали по три пары каждого сочетания материалов.

Предварительно образцы подвергали приработке в течение 30 мин, при подаче в зону трения смазочного масла ТП-22С при нагрузке 125 Н. Приработкой достигали равномерное распределение следов износа по трущимся поверхностям обоих образцов

Рисунок

пары. Далее испытания проводили в течение 2 часов при давлении 2,5 МПа в условиях непрерывной подачи в зону трения смазочного материала. До приработки, после приработки и после работы пары в режиме испытания образцы снимали с машины трения, промывали в универсальном уайтспирите, сушили в течение 2 часов при температуре 70°С, остужали и взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,2 мг. После приработки и после работы с помощью штангенциркуля измеряли размеры площади контакта образца-колодки с точностью до 0,1 мм.

По потере массы образцов во время испытаний определяли величины изношенного слоя и интенсивности изнашивания обоих образцов пары, как отношение величины изношенного слоя к пути трения (ГОСТ 27674-88) [6].

Во время испытания производили непрерывную запись момента трения в контакте. Момент трения измеряли с помощью маятникового динамометра, встроенного в машину трения. Градуировку записывающего устройства маятникового динамометра производили с помощью пружинного динамометра. Коэффициент трения в паре определяли по формуле [6]

/ = Т1/ Ыг,

где N - нормальная нагрузка на пару, г - номинальный радиус сочленения, T - усилие пружинного динамометра, l - плечо приложения этого усилия относительно оси вращения образца валика.

Для оценки влияния материала наплавленного слоя на задиростойкость проводили испытания на машине трения МТУ-01 по схеме торцевого трения. Предварительно образцы подвергали приработке в течение 30 мин при подаче в зону трения рабочего масла и нагрузке 150 Н при частоте вращения шпинделя 200 мин-1. Приработкой достигается равномерное распределение следов износа по трущимся поверхностям обоих образцов пары. Далее испытания проводили при ступенчатом изменении частоты вращения в пределах 200-700 мин-1 с шагом 100 мин-1 в условиях непрерывной подачи в зону трения масла. Во время испытания производили непрерывную запись момента трения в контакте. Задир в паре трения фиксировали по скачкообразному увеличению момента трения.

Результаты экспериментов и обсуждение. На рисунке представлен микрошлиф лазерной наплавки дорожек на образце диаметром 48 мм по винтовой линии с 50% перекрытием при многослойной наплавке порошка 1535-30. На микрофотографии наплавленных слоев (а) наблюдается хорошее сплавление дорожек, зона термического влияния составляет 300-900 мкм в зависимости от режима обработки. При большем увеличении (б) в наплавленном слое проявляется дендритная структура, характерная для всех видов лазерной наплавки и для любого литого металла. Расстояние между осями второго порядка дендритов составляет (0,5-1,5) ■ 10-6 м, что значительно ниже, чем при газопламенной наплавке (6-10) ■ 10-6 м и наплавке токами высокой частоты (12-20) ■ 10-6 м [1]. Металлическую основу наплавленного слоя составляет у-твердый

Вид покрытия Длина диагонали отпечатка, усл. ед. Средняя длина диагонали отпечатка, мкм ИУс,1, МПа

Без покрытия 85, 79, 79, 75, 72 23,4 3394

Порошок 1535-30, режим I 77, 78, 50, 69, 58, 70, 66, 65 20 4640

Порошок 1535-30, режим II 66, 58, 64, 65, 66 19,1 5090

Порошок 1535-40, режим I 69, 64, 67, 71, 70 20,5 4425

Таблица 3

№ Сочетание материалов Интенсивность изнашивания /

11 ■ 109 12 ■ 109

1 Баббит Б-83 - сталь 38ХН3МА 4,75 0,166 0,02

2 Баббит Б-83 — покрытие 1535-30 режим I 4,59 0,084 0,02

3 Баббит Б-83 — покрытие 1535-30 режим II 1,757 0,076 0,02

4 Баббит Б-83 — покрытие 1535-40 режим I 1,349 0,124 0,02

раствор на основе никеля. Основными упрочняющими фазами наплавленного покрытия являются карбиды и бориды никеля и других легирующих элементов применяемых наплавочных порошков [7]. Эти характеристики гетерогенного структурно-фазового состояния наплавленного слоя дают основание предполагать возможность создания условий для реализации обратимых превращений в зоне поверхностной пластической деформации, обеспечивающих и поддерживающих износостойкие структурные состояния при трении [8]. Учитывалось также, что покрытие предназначено для работы с антифрикционным сплавом и не должно вызывать его повышенный износ.

В табл. 2 представлены результаты измерений микротвердости поверхности испытываемых образцов-валиков из стали 38ХН3МА б

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком