Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Вестник Орловского государственного аграрного университета, 2009, №1 (16) февраль

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 452992.0015.99
Вестник ОрелГАУ, 2009, №1 (16) февраль-Орел:Орловский государственный аграрный университет,2009.-60 с.[Электронный ресурс]. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/429634 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

                Вестник





№1(16)

ОрелГАу


        февраль 2009


Теоретический и научно-практический журнал. Основан в 2005 году
Учредитель и издатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный Университет»


Редакционный совет: Парахин Н.В. (председатель) Амелин А.В. (зам. председателя) Астахов С.М.
Белкин Б.Л.
Блажнов А.А.
Брыкля О.А.
Буяров В.С.
Гетьман Г. А.
Гуляева Т.И.
Гурин А.Г.
Гущина Т.В.
Дегтярев М.Г.
Зотиков В.И.
Иващук О.А.
Козлов А.С.
Кузнецов Ю.А.
Лобков В.Т.
Лысенко Н.Н.
Ляшук Р.Н.
Мамаев А.В.
Масалов В.Н.
Новикова Н.Е.
Павловская Н.Е.
Прока Н.И.
Савкин В.И.
Степанова Л.П.
Хромов В.Н.
Лещуков К.А. (ответств. секретарь)
Адрес редакции: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69. Телефон: (4862)454037
    Факс:(4862)454064
  E-mail: nich1@orelsau.ru E-mail: nichоgau@yandex.ru
Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77-21514 от 11.07. 2005 г.
     Редактор Ермакова Н.Л.
Технический редактор Мосина А.И. Сдано в набор 2.02.2009
Подписано в печать 6.02.2009 Формат 60x84/8. Бумага офсетная.
Гарнитура Таймс.
Объём 7,5 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19. Лицензия ЛР№021325 от 23.02.1999г
Журнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских диссертаций

                      Содержание номера
           Ремонт и организация технического сервиса

Черноиванов В.И., Лялякин В.П., Литовченко Н.Н.
Ресурсосберегающие восстановительно-упрочняющие технологии -основа вторичного производства деталей машин................... 2
Хромов В.Н., Кузнецов И.С., Петрашов А.С. Электроискровая обработка поверхностей деталей для создания износостойких объёмных наноструктурированных покрытий на режущих деталях сельхозтехники... 6 Серебровский В.И., Гнездилова Ю.П. Электроосаждение бинарных сплавов на основе железа для упрочнения деталей машин.......... 9
Кузнецов Ю.А. Ресурсосберегающие технологии газотермического напыления при ремонте машин АПК............................... 13
Коренев В.Н. Моделирование подготовки поверхности при восстановлении и упрочнении деталей сельхозтехники газопламенным напылением...................................................... 16
Батищев А.Н., Ферябков А.В., Шевченко Г.В. Упрочнение деталей машин покрытиями, синтезированными из газовой фазы............ 21
Юдин В.М., Вихарев М.Н. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин гальваническими покрытиями на основе цинка......................................................... 24
                       Энергоснабжение
Чернышов В. А., Гавриченко А.И. Способ оценки опасности сельских электрических сетей с изолированной нейтралью при неполном количестве исходных данных.................................... 26
Астахов С.М. Сокращение времени переключения на резервное электроснабжение в сельских распределительных сетях 6-10 кВ....30
Поландов Ю.Х., Власенко С.А., Барг М.А. Применение метода крупных частиц при описании развития взрыва газо-воздушной смеси в незамкнутых объемах........................................... 33

Послеуборочная обработка продукции растениеводства
Авдеев А.В., Начинов Д.С., Начинова А.А. Моделирование процесса и режимов конвективной сушки зерна..........................39
Калашникова Н.В., Волженцев А.В. Совершенствование технологического процесса сушки зерна пшеницы с обоснованием параметров сушилки с псевдоожиженным слоем..................44
Абдюшев Р.М. Механизм взаимосвязи отраслей АПК и производителей сельскохозяйственной техники (на примере зерносушилок)..... 46
          Эксплуатация машинно-тракторного парка

Рыжов Ю.Н., Долгов Е.П. Моделирование процессов во фрикционном сцеплении сельскохозяйственного трактора с использованием автоматизированных компьютерных систем........................ 49
Юрков М. М. Схема факторов производственной среды оператора машинно-тракторного агрегата...................................51
                      Ресурсосбережение
Буяров В.С. Техническая модернизация и ресурсосберегающие технологии в животноводстве и птицеводстве.................... 54


 © ФГОУ ВПО Орел ГАУ, 2009

Ремонт и организация технического сервиса

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

УДК 631.173
В.И. Черноиванов, академик
В.П. Лялякин, доктор технических наук
Н.Н. Литовченко, кандидат технических наук гну госнити

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНО-УПРОЧНЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ - ОСНОВА ВТОРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Задача разработки оборудования и технологий восстановления и упрочнения деталей с повышенным ресурсом может быть решена совершенствованием одного из самых прогрессивных методов восстановления деталей - электродуговой металлизации (ЭДМ). Одновременно с решением металлургических и технологических проблем в статье предложены пути конструктивного совершенствования металлизационного аппарата и разработка методов упрочнения, прежде всего, для деталей, работающих в условиях абразивного износа и больших нагрузок, то есть, в первую очередь, для рабочих деталей почвообрабатывающей техники.

       В настоящее время в России и других промышленно развитых странах потребление природных ресурсов и использование техники достигли огромного масштаба.
       Естественно, в таких условиях ресурсосберегающие технологии становятся объектом особого внимания и заинтересованности производителей техники и в сфере ее использования. Ситуация значительно усугубляется из-за роста дефицита и стоимости запасных частей вследствие отставания их выпуска от потребности, а также их ресурса, который в большинстве случаев возможно существенно повысить восстановительно-упрочняющими методами.
       Для достижения существенного роста объемов восстановления деталей необходимо оснащение ремонтных предприятий, в первую очередь, первого, второго и третьего уровня специализации -современными, высокоэффективными методами и технологиями, оборудованием восстановления и упрочнения с целью реального увеличения их ресурса по износостойкости в 1,5... 2,0 выше новых.
       Только в этом случае можно поднять экономический интерес у предприятий вторичного производства (восстановления и упрочнения деталей), а также у потребителей их продукции.
       Поэтому ГОСНИТИ считает одной из приоритетных задач в своих исследованиях -разработку     оборудования и        технологий
восстановления и упрочнения деталей с повышенным ресурсом.
       В течение последних 27 лет НИИ «РЕМДЕТАЛЬ» и ГОСНИТИ уделяли серьезное внимание совершенствованию одного из самых прогрессивных методов восстановления деталей -электродуговой металлизации (ЭДМ).
       ЭДМ, являясь универсальным методом металлопокрытий, имеет широкую область применения;
       -       для восстановления стальных, чугунных и из цветных металлов деталей цилиндрической и плоской формы, работающих в условиях трения скольжения и смазки и неподвижных посадок;
       -       для устранения дефектов стального и чугунного литья;
       -       для повышения жаростойкости стали алитированием (покрытие алюминием, его диффузия в поверхностные слои стального изделия);

2

      -       для нанесения антифрикционных покрытий при изготовлении подшипников скольжения;
      -       для нанесения псевдосплавов: алюминий-железо (АЖ-50), медь-железо (МЖ-50) и др.;
      -       для долговременной антикоррозионной защиты алюминием и цинком металлоконструкций с гарантией 20-25 лет в условиях атмосферы;
      -       для    защитно-декоративных целей с
покрытием медью, бронзой, латунью, алюминием.
      Габариты деталей не лимитируют применение ЭМ.
      Большие положительные качества ЭДМ (технологичность,      простота,         высокая
производительность и износостойкость покрытий, отсутствие термоповодок, низкая стоимость и универсальность,    стабильность усталостной
прочности восстанавливаемых деталей) не могли быть не замечены учеными и производственниками. ЭДМ, как любой метод металлопокрытий, имел недостатки, поэтому перед институтом стояла задача устранить недостатки ЭМ с целью широкой реализации ее применения.
      Основным недостатком всегда считалась низкая адгезионно-когезионная прочность покрытия. Микроструктурный анализ позволил установить, что покрытия, полученные с применением проволок, содержащих высокий процент (от 0,8 до 2,3 %) кремния и марганца, имеют наиболее пористую структуру за счет шлаков, не растворимых в железе, и, соответственно, наименьшие прочностные свойства по сравнению с покрытиями из материала проволок с меньшим содержанием раскислителей.
      Из этого следует стратегический вывод: необходимо применять для ЭМ проволоки с как можно меньшим содержанием марганца и кремния. Только такой подход позволил избавить ЭМ от отслоений и выкрашиваний при больших удельных нагрузках, испытываемой поверхностью деталей при работе.
      Вторым      фактором,     ограничивающим
применение ЭМ, являлась невысокая по сравнению с наплавкой твердость покрытия. Из-за этого такие детали, как тормозные барабаны, коленчатые валы и ряд других деталей оставались долгое время за пределами возможности восстановления ЭМ.
      При этом процесс ЭМ оставался трудоемким из-за двухоперационности нанесения покрытия: подслой - слой.

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

Ремонт и организация технического сервиса

      Таким образом, установив основные недостатки ЭМ, предстоял длительный период их устранения. Длительный потому, что одновременно с металлургическими и технологическими проблемами решались задачи по конструктивному совершенствованию металлизационного аппарата.
      Из анализа проблем прочностных и износостойких свойств покрытий, очевидно, следовал вывод, что необходимо создание нового присадочного материала для ЭМ. Такой материал - порошковая проволока ПП-ММ2, ПП-ММ63, ПП-ММ65, ПП-ТП-1, была разработана по нашему техническому заданию Мариупольским металлургическим институтом под руководством д.т.н. В. А. Роянова и д.т.н. В.Я. Зусина. Содержание феррохрома -16.19% и алюминия 14.17% в порошковой проволоке обеспечивали высокую адгезионнокогезионную прочность (на отрыв до 50.60 и до 125 МПа на срез) и твердость 50.58 HRC. Для сравнения адгезия покрытия из проволоки Ст.30 составляет 18.22 МПа.
      Выполненные в Мариупольском металлургическом институте сравнительные испытания покрытий на абразивную стойкость по методике Бринелля-Хаворта показали, что износостойкость покрытия из порошковой проволоки ПП-ММ65 в 3,84, ПП-ММ63 в 5,46 раза выше, чем эталона - покрытия из цельнотянутой проволоки марки Св06Х19Н9Т и превышает износостойкость покрытия из цельнотянутой проволоки марки Св07Х25Н13 в 2,9 раза. Значение средних скоростей износа при трении пары покрытий из проволоки ПП-ММ65 составляет 0,026.0,028 мм/час, образцов из Ст. 30 при тех же условиях испытания составила 1,65 мм/час.
      Таким образом, такая порошковая проволока сразу сняла все основные недостатки ЭМ, что дало возможность значительно упростить технологию, отказавшись от нанесения подслоя, и расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей. В настоящее время стало возможным широко внедрять восстановление тормозных барабанов, тормозных дисков и коленчатых валов, обеспечивая ресурс не ниже новых.
      При всех преимуществах порошковой проволоки она имеет не менее существенный недостаток - высокую цену. В настоящее время ее цена составляет около 150 тыс. рублей за тонну. Поэтому разработан альтернативный вариант порошковой проволоке - комбинацию из двух цельнотянутых (углеродистой и хром никелевой) проволок. Сравнительные испытания на адгезионнокогезионную прочность и износостойкость покрытий показали сопоставимость результатов. Преимущества: стоимость цельнотянутых проволок по сравнению с ПП-ММ2 в 2,5.4 раза ниже, стабильность горения дуги выше.
      Совершенствование ЭДМ идет в ГОСНИТИ и в направлении разработки новых моделей металлизаторов со сверхзвуковым истечением гетерофазного потока, обеспечивающего повышение адгезионно-когезионной прочности в 1,5 раза и

других физико-механических свойств ЭМ-покрытий, а также повысить коэффициент использования присадочного материала на 20%. В связи с повышением прочностных свойств ЭМ-покрытий стало возможным расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей, например представилась возможность металлизировать коленчатые валы тяжелых двигателей, таких как КамАЗ-740 и тракторной техники, тормозные диски и диски сцепления, опоры коренных подшипников блоков цилиндров дизелей и другие.
      Первой моделью нового сверхзвукового металлизатора стал ЭДМ-9ШД (рис.          1). Его
особенности: универсальность (ручной, станочный), шаговый электродвигатель мощностью 40 Вт, автоматика пуска (подача воздуха и электроэнергии), масса 2,6 кг, регулировка скорости подачи проволоки плавная от 0,8 до 14,6 м/мин, производительность до 10 кг/час. В настоящее время готовится рабочая конструкторская документация на производство очередной новой модели сверхзвукового трехэлектродного металлизатора ЭДМ-3ЭЛ, поднимающего метод ЭДМ на новый уровень получения высококачественных металлопокрытий для восстановления деталей и долговременной антикоррозионной защиты металлоконструкций алюминием и цинком.
      ЭДМ -3ЭЛ защищен патентом № 2254933 от 12.08.2005 г.

Рисунок 1 - ЭДМ-9ШД

      Преимущества ЭДМ-3ЭЛ: принцип действия исключает все недостатки классической схемы двухэлектродных металлизаторов, от которых практически избавиться невозможно; позволяет получение комбинированных покрытий, используя проволоки разных сортов, химических составов и диаметров; может работать с одной проволокой или продолжать работать в случае прекращения подачи второй; существенно расширяется диапазон по диаметру проволок от 1,0 до 3,0 мм.
      Эти преимущества ЭДМ-3ЭЛ позволят существенно расширить сферу использования электродуговой металлизации в различных областях промышленности.

3

Ремонт и организация технического сервиса

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

      Экономическая эффективность ЭДМ обеспечивается ощутимой разностью стоимости новых деталей и затрат на восстановление. Восстановление составляет 10...50% от стоимости новых деталей.
      Изготовить детали машин - полдела. Вторая часть - ее упрочнение, то есть придание ей качеств, обеспечивающих работоспособность и требуемый ресурс. В идеале ресурс детали должен быть равным ресурсу машины в целом. К сожалению, это условие в основном не выполняется потому, что упрочнению уделялось и уделяется в настоящее время недостаточное внимание, хотя, казалось бы, создано и применяется много различных методов упрочнения. Но они или сложны, трудоемки и дорогостоящие или малоэффективны.
      Перед специалистами ГОСНИТИ была поставлена задача разработать метод упрочнения, прежде всего, для деталей, работающих в условиях абразивного износа и больших нагрузок, то есть, в первую очередь, для рабочих деталей почвообрабатывающей техники.
      Заводы-изготовители почвообрабатывающей техники не обеспечивают требуемую износостойкость деталей, вследствие чего в эксплуатации потребитель сталкивается с необходимостью частых заточек лезвийных поверхностей, что вызывает естественно вынужденные простои техники, а также значительное снижение долговечности деталей и связанные с этим ощутимые экономические потери.
      Поэтому проблема повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники стоит в сельскохозяйственном производстве особо остро.
      Ни один из применяющихся в настоящее время в России методов упрочнения не решает эту проблему. Конкретно она состоит в создании метода упрочнения, обеспечивающего ресурс рабочих органов, соизмеримый с ресурсом техники в целом, а также в способности к импортозаменяемости.
      Для реализации задачи необходимо, чтобы метод упрочнения отвечал критерию (Кт) относительного значения микротвердостей упрочненной поверхности детали (Н) и абразива (На)
Кт=Н/На
      То есть способность абразивных частиц внедряться в поверхностный слой и разрушать его при движении приближенно должна оцениваться по этому соотношению показателей микротвердостей взаимодействующих деталей и среды.
      Отечественный ученый М.М. Тененбаум опытным путем установил, что критерий Кт должен быть в пределах 0.5...0.7. В этом случае ресурс рабочих органов будет приближен к ресурсу техники в целом.
      В ГОСНИТИ выработана стратегия решения этой проблемы, заключающаяся в следующем:
      Первое. Ставка сделана на разработку метода восстановления и упрочнения металлокерамическими покрытиями (МКП).
      Второе. Метод прост, дешев, технологичен, не требующий сложного дорогостоящего оборудования.

      Третье.    Области применения машиностроительные                  предприятия
сельскохозяйственного значения, МТС, РТП, фермерские хозяйства в стационарных и нестационарных условиях.
      Базой для реализации этого плана является созданный в лаборатории №10 ГОСНИТИ скоростной электродуговой термодиффузионный метод и оборудование скоростного электродугового упрочнения, позволяющего получить в упрочненном поверхностном слое сложнофазную структуру, содержащую кроме термодиффузионных элементов (углерода, бора и др.), но и металлокерамические образования. Происходящее в ходе упрочнения проплавление поверхностного слоя детали на глубину не менее 2 мм является необходимым для такого процесса условием, так как для МКП требуется стальная матрица.
      Научный результат, выполненный в ГОСНИТИ работы по электродуговому упрочнению, оказался чрезвычайно обнадеживающим. Дело в том, что пасты, содержащие алюминий, буру или карбид бора обеспечивают высокую микротвердость - от 1114 до 1225 кгс/мм² (примерно 98 HRC). Какая же фаза может обеспечить такую высокую твердость?
      Структурный анализ показал, что ею является интерметаллид - железная шпинель Fe*Al₂O₃, карбид бора и тригональная кристаллическая система расплавленного Al₂O₃      (корунд),    имеющая
исключительно высокую твердость.
      Учитывая, что при электродуговом упрочнении имеет место проплавление поверхностного слоя, можно сделать очень важный вывод, что образуется металлокерамическая структура, имеющая не только высокую твердость, но и такую же несущую прочность благодаря стальной           матрице,
удерживающей керамический компонент.
      Практически благодаря выполненной научноэкспериментальной работе мы оказались близки к нижнему пределу критерия упрочнения Кт. Он достиг значения 0,3. такой результат традиционными упрочняющими технологиями не получишь.
      Для выполнения скоростного электродугового упрочнения в ГОСНИТИ создан аппарат ЭДУ-2, рисунок 2.
      Традиционные термодиффузионные способы упрочнения насыщением стали углеродом, азотом, бором, хромом и другими элементами используются в стационарных условиях. Известно, что эти технологии энергоемкие и трудоемкие. Глубина упрочнения недостаточна для почвообрабатывающей техники, а для крупногабаритных деталей практически промышленные методы упрочнения непригодны.
      В ГОСНИТИ разработан термодиффузионный метод упрочнения стали с использованием дугового разряда, в режимах прямой, косвенной дуги и короткого замыкания с использованием графитовых электродов диаметром 6.10 мм. Это более рациональный, несложный, комплексный метод упрочнения и более дешевый - в три-четыре раза ниже стоимости применяемых способов.

4

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

Ремонт и организация технического сервиса

      Разработана технология и мобильное оборудование для скоростного электродугового упрочнения, предназначенного для использования, как в стационарных, так и в полевых условиях.
      Термодиффузионное упрочнение стали с использованием дугового разряда (ЭДУ) является одним из самых интересных и перспективных направлений изучения.
      Поверхностное          термодиффузионное
упрочнение с использованием дугового разряда привлекает большей простотой аппаратурного исполнения по сравнению с хорошо известными высококонцентрированными источниками энергии (ВИЭ). Процессы, происходящие при воздействии дугового разряда на металл, во многом аналогичны процессам при обработке другими ВИЭ, что касается теплообмена и фазово-структурных превращений.
      Аппарат ЭДУ-2 предназначен для ускоренной цементации с твердостью до 60. ..65 HRC быстроизнашивающихся деталей, работающих в условиях абразивного износа и высоких нагрузок техники почвообрабатывающей, перерабатывающей, добывающей, строительной и других отраслей промышленности в полевых и стационарных условиях. При боронитроцементации твердость достигает 75.78 HRC.
      Способ электродугового упрочнения (ЭДУ) основан на насыщении поверхности детали углеродом в процессе дугового разряда между угольными электродом (косвенная дуга), расположенными в непосредственной близости 3-8 мм от детали или между угольным электродом и деталью (прямая дуга). Другой способ упрочнения - в режиме короткого замыкания, то есть при непосредственном контакте электрода с поверхностью детали и постоянным его перемещении. После науглероживания выполняется закалка и низкотемпературный отпуск (1800С). ЭДУ может осуществлять также с помощью паст, что дает возможность        получить        борирование,
нитроцементацию, сульфоционирование нанесение металлокерамических   покрытий,    а также
одновременное упрочнение наплавляемых покрытий.
      Во всех случаях идет процесс локального нагрева детали и угольного электрода. Последний испаряется с образованием ионов углерода, которые легко диффундируют в нагретый металл.
      Благодаря быстротекучести процесса способ ЭДУ назван электродуговой скоростной цементацией.
      Аппарат ЭДУ-2 предназначен для цементации, борирования, нитроцементации деталей почвообрабатывающей техники, перерабатывающей, добывающей, строительной и других отраслей промышленности. Возможные области применения скоростного электродугового упрочнения: почвообрабатывающая техника (плуги, культиваторы, дисковые бороны и др.); льноперерабатывающее оборудование;         бильные          планки;
мясоперерабатывающее             оборудование,
свеклорежущие ножи сахарных            заводов;
строительные мелиоративные и машины по внесению удобрений; горнодобывающая буровая и дорожностроительная    техника;     метало - и
деревообрабатывающий инструмент.

Рисунок 2 - Аппарат ЭДУ-2

      Разработанные технологии и оборудование для скоростного      электродугового упрочнения,
предназначены для использования как в стационарных, так и в полевых условиях.


      Выводы
      1. Усовершенствован       электродуговой
металлизатор ЭДМ-ЗЭЛ: принцип действия исключает все недостатки классической схемы двухэлектродных металлизаторов, от которых практически избавиться невозможно; позволяет получение комбинированных покрытий, используя проволоки разных сортов, химических составов и диаметров; может работать с одной проволокой или продолжать работать в случае прекращения подачи второй; существенно расширяется диапазон по диаметру проволок от 1,0 до 3,0 мм.
      2.      Преимущества ЭДМ-ЗЭЛ позволяют существенно расширить сферу использования электродуговой металлизации в различных областях промышленности.
      3.      Разработан более рациональный, несложный, комплексный метод упрочнения и более дешевый термодиффузионный метод упрочнения стали с использованием дугового разряда, в режимах прямой, косвенной дуги и короткого замыкания с использованием графитовых электродов диаметром 6.10 мм.
      4.      Созданный скоростной электродуговой термодиффузионный метод и оборудование скоростного электродугового упрочнения, позволяет получить в упрочненном поверхностном слое сложнофазную структуру, содержащую кроме термодиффузионных элементов (углерода, бора и др.), но и металлокерамические образования.


5

Ремонт и организация технического сервиса

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

УДК 616. 71-001.5-089. 84 :636.7/.8

В.Н. Хромов, доктор технических наук И.С. Кузнецов, А.С. Петрашов, аспиранты ФГОУ ВПО Орел ГАУ

ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ОБЬЁМНЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЖУЩИХ ДЕТАЛЯХ СЕЛЬХОЗТЕХНИКИ
В статье описывается связь эрозии электродов c электронным строением вещества в свете конфигурационной модели вещества. Высказывается мнения, что образование объемных наночастиц в поверхностном слое напрямую зависит от количества и состояния нелокализованных электронов, общих для всей наночастицы.

      Термин      "нанотехника"        представлен
объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1 нм = 10⁻⁹ м = 10⁻⁶ мм = 10⁻³ мкм). Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова vavoo - карлик и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нанометров. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических.
      Мерриэм-Вебстеровский академический словарь определяет нанотехнологию как искусство манипулирования материалами на атомарном или молекулярном       уровне, особенно          для создания
макроскопических устройств (например, роботов). Справочный          сайт   About.com определяет
нанотехнологию еще короче: как     разработку и
использование устройств  с размерами в          несколько
нанометров.
      Более развернутое определение содержится в документах государственной программы США "Национальная нанотехнологическая инициатива". Оно сформулировано авторитетными специалистами и звучит так: "Нанотехнология - это исследования и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне в шкале размеров приблизительно от 1 до 100 нм, проводимые для приобретения фундаментальных знаний о природе явлений и свойствах материалов в наношкале, для создания и использования структур, приборов и систем, которые обладают новыми качествами благодаря своим маленьким размерам. Нанотехнологические исследования и разработки включают контролируемые манипуляции наноразмерными структурами и их интеграцию в более крупные компоненты, системы и архитектуры"               (www.nano.gov/html/facts/
WhatisNano.html).
      Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а в двух других обладают макро размерами. Есть много способов создания тонких наноструктурированных пленок как неорганической, так и органической природы
      Способ электроискровой обработки металлов, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко, основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе), полярного переноса

продуктов эрозии на катод (деталь). На поверхности катода под действием значительных тепловых нагрузок происходят микрометаллургические и сопутствующие им процессы (термомеханические, гидродинамические, диффузионные), осуществляющие перемешивание материала катода и анода при взаимодействии с компонентами газовой среды, что способствует образованию высокой адгезии между основой и формируемым слоем. Поэтому электроискровую обработку следует считать методом создания новых композиционных материалов. В первую очередь это относится к тугоплавким покрытиям, наиболее существенно и принципиально изменяющим свойства верхнего слоя материала. Величина этих изменений определяется составом, структурой, свойствами материала электрода и технологическими параметрами процесса ЭИО.
      В процессе искрового электрического разряда в поверхностных слоях анода и катода локально выделяется большое количество энергии, в результате чего происходят сложные физико-химические явления. Разрушение электродов одно из наиболее важных следствий искрового разряда. Интенсивность и характер разрушения электродов во многом определяют толщину и качество получаемого на катоде легированного слоя, которые являются важными показателями при практическом использовании метода электроискровой обработки.
      В настоящее время существуют два принципиально различных мнения о механизме эрозии электродов. Так, при действии искрового разряда на поверхности электродов появляются три зоны — зона испарения, зона расплавленного металла и, наконец, зона разогретого металла, находящегося в твердом состоянии.   Эрозия электродных материалов
определяется в основном наличием двух первых зон, хотя иногда указывается, что вследствие действия высоких напряжений (значительно превышающих ,.., анодного материала), материал третьей зоны также выбрасывается из лунки и таким образом влияет на эрозию электрода.
      Другого мнения придерживаются авторы, исследовавшие выделение энергии при торможении пучка электронов в твердом теле. Показано, что мощность, передаваемая пучком электронов телу
W = пп IU,                    (1)
      где I - ток пучка, мА;
        U- ускоряющее напряжение, кВ;
        Пп - эффективный к. п. д. процесса.
      При торможении электроны проникают на некоторую глубину, называемую пробегом электронов. Проникающий в вещество электрон теряет свою

6

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

Ремонт и организация технического сервиса

энергию не сразу, а испытывает многократное рассеяние при соударениях с решеткой. Потеря энергии ДW на единицу длины пробега максимальна на некотором расстоянии от поверхности металла, составляющем 0,80,9 величины пробега X
      Длина пробега в стали составляет 0,27 см, в вольфраме — 0,1 см при напряжении 10 кВ. В связи с этим можно предположить, что при электроискровой обработке эрозия происходит за счет многократных взрывов от пучков электронов. Возможно, процесс протекает следующим образом. Пучок электронов, достигнув анода, внедряется в решетку на расстоянии 0,8—0,9 X выделяется почти вся мощность пучка электронов и на поверхности сферы D = (0,8—0,9) X материал анода вскипает. Высокое давление в данной области выбрасывает материал анода в направлении катода, причем в продуктах эрозии, могут содержаться и не оплавившиеся частицы. В работе показано, что при искровой обработке даже легкоплавких материалов в продуктах эрозии содержатся частицы, являющиеся продуктами хрупкого разрушения.
      Эрозия электродов может быть подразделена на мостиковую эрозию и эрозию от действия потоков заряженных частиц на электроды. Изучение мостиковой стадии эрозии показало, что количество вещества, выделяющегося на этой стадии возникновения электроискрового разряда на электродах при их размыкании, незначительно по сравнению с количеством вещества, выбрасываемого при искровом разряде. Вещество анода, эродируемое в результате искрового разряда, может находиться в паровой, жидкой и твердой фазах [2]. Количества вещества, находящегося в той или иной фазе, зависит от условий обработки, среды и природы материала электродов. Основу сплава ВК-6М составляет вольфрам, эрозия которого обусловлена, прежде всего, хрупким разрушением электрода анода. При установлении связи значений эрозии анода с электронным строением его материала целесообразно воспользоваться конфигурационной моделью вещества, в конденсированном состоянии достаточно просто интерпретирующей многие свойства металлов и тугоплавких соединений, в том числе и электроэрозионную стойкость.
      Сущность модели конфигурационной локализации сводится к следующему. При образовании конденсированного состояния вещества из изолированных атомов валентные электроны последних частично локализуются у остовов атомов, а частично переходят в нелокализованное            состояние.
Локализованная доля валентных электронов образует довольно широкий спектр             конфигураций,
различающихся по своей энергетической устойчивости, т. е. по запасу свободной энергии, так что наряду с весьма устойчивыми конфигурациями, которым отвечает минимум свободной энергии, появляются менее и весьма неустойчивые. Допуская, что статистический вес наиболее устойчивых в энергетическом отношении электронных конфигураций атомов существенно превышает статистический вес неустойчивых, можно приписать каждому атому состояния, отвечающие ограниченному числу наиболее устойчивых конфигурации, называя последние стабильными (обладающими максимальным временем жизни). Наиболее стабильным конфигурациям в спектре соответствуют свободные, полузаполненные и полностью заполненные состояния. Энергетическая

устойчивость электронных конфигураций, в том числе и стабильных, является функцией главного квантового числа валентных электронов, из которых образованы эти конфигурации. Между стабильными конфигурациями и нелокализованной частью валентных электронов осуществляется обмен, отвечающий за связь между стабильными конфигурациями, а следовательно, и остовами атомов друг с другом. В процессе обмена часть нелокализованных электронов находится в существенно свободном состоянии, а часть совершает акт обмена, точно так же как часть стабильных конфигураций существует реально, а часть нарушена актом обмена. Между нелокализованными электронами осуществляется сильное отрицательное взаимодействие, которое приводит к отталкиванию друг от друга стабильных конфигураций и остовов атомов, вызывающее разрыхление кристаллической решетки и ослабление связи между атомами. Эти исходные положения позволяют рассмотреть с единой точки зрения особенности электронного, кристаллического строения и свойств элементов и их соединений.
      Во всех случаях возрастание статистического веса, энергетической устойчивости стабильных конфигураций и, соответственно, уменьшение статистического веса нелокализованных электронов вызывает увеличение сил связи, о которых можно косвенно судить по физическим константам элементов, определяемым экспериментально. Известно, что сила межатомной связи приближенно оценивается такими физическими величинами, как температура плавления, теплота сублимации, среднеквадратичные смещения атомов при тепловых колебаниях, коэффициент термического расширения, модуль упругости и другими свойствами. Связь считается тем прочнее, чем больше каждая из указанных величин, кроме коэффициента термического расширения и среднеквадратичных смещений- атомов при тепловых колебаниях, которые уменьшаются с увеличением прочности межатомной связи [3].
      В работе [4] рассмотрены существующие модели структурообразования наноматериалов. Изложена синергетическая модель наноструктурирования, основанная на учете эволюционного развития атомов при объединении их в молекулу или кластер. Информация об эволюционном развитии атомов, их энергетическом состоянии передается в виде волновой функции электронов. Межатомное взаимодействие рассматривается как неравновесный фазовый переход, при котором память о квантовом состоянии электронов сохраняется и передается кластеру или объёмной наночистицы при перекрытии их волновых функций, которое сопровождается обобществлением валентных электронов.
      Также в работе описывается роль свободных электронов в нелокализованном состоянии при образовании наноструктурированных частиц.
      При застывании с большой скоростью нанесенного электроискровой обработкой композита. Одной из фазовых составляющих является реечный мартенсит. Он является основой составляющей наноструктурированного тонко плечного покрытия образующегося в измененном поверхностном слое. Можно предположить, что строение реечного мартенсита, являющего объемной наночастицей, обусловлено наличием свободных электронов в нелокализованном состоянии, находящихся в

7

Ремонт и организация технического сервиса

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

конденсированном веществе, образованном в результате пробоя межэлектродного пространства [5].
      Материалы и методы
      С помощью установки электроискровой обработки (ЭИО) UR-121 на противорежущие пластины пальцев ножа жатки комбайна ДОН-1500 был нанесен слой вольфрамо-кобальтового композита электродом ВК6. Слой наносился в два прохода на жестком и мягком режиме работы установки ЭИО. Фото упрочненных образцов представлено на рисунке 1.


Рисунок 1 - Противорежущие пластины пальцев ножа жатки комбайна Дон-1500, упрочненные электроискровой обработкой

      Металлографические исследования покрытия проводили на базе Инновационного научноисследовательского центра Орел ГАУ с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi TM-1000 (рис. 2). Качество образцов изучали в низковакуумном режиме Standart Mode (стандартные условия для образцов промышленного материала) при зазоре в 1,0 мм между верхней частью исследуемого образца и верхней частью шахты под столик с образцом, а настройку на малые увеличения х20 и х25 раз проводили при расстоянии - не менее 6,0 мм. Исследуемый образец обезжиривали и очищали от пыли 96,0% этиловым спиртом непосредственно перед помещением на держатель образца.

Рисунок 2 - Сканирующий электронный микроскоп Hitachi TM - 1000

      Результаты исследований
      Сканирующая электронная микроскопия поверхности покрытия на основе сплава вольфрамокобальта ВК6-М, нанесенного на противорежущую пластину пальца ножа жатки зерноуборочного комбайна Дон-1500. При помощи установки электроискровой обработки UR-121 показала, что после обработки одного и того же участка в два прохода сначала на грубом режиме, а потом на мягком режиме, на поверхности покрытия наблюдались сетки микротрещин и следы выкращивания (рис. 3а); дальнейшее увеличение числа

проходов электрода по поверхности противорежущей пластины приводит к разрушению различных участков. И поэтому оптимально 2 прохода для образования слоя наибольшей толщины, когда не происходят сколы основы металла и появления микрораковин и язв в покрытии.

а)

б)
Рисунок 3 - Структура электроискрового покрытия при увеличении: а) х 1000; б) х 10000

      Так же на рисунке 2 видна мартенситная структура в виде реечного мартенсита в измененном поверхностном слое металла основы, что создает благоприятные нанотрибологические условия.

      Вывод
      Для повышения износостойкости электроискровых покрытий деталей машин необходимо в измененном поверхностном слое создать объемную наноструктуру реечного мартенсита. Что придаст электроискровому покрытию уникальные трибологические свойства.
Литература
      1.       Головин, Ю.И. Введение в нанотехнику. [Текст] /Юрий Головин. - М.: Машиностроение. 2007. - 496 с.
      2.       Верхотуров, А.Д. О физической природе эрозии и формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании молибдена пористыми электродами железа. [Текст] /Александр Верхотуров // Порошковая металлургия. - 1983. - №12. - С.51-54.
      3.       Самсонов, Г. В. Конфигурационная модель конденсированного вещества [Текст] / Г. В. Самсонов, И.Ф. Прядко, Л. Ф. Прядко. - Киев: Наука думка, 1971. - 236 с.
      4.       Кабалдин, Ю.Г. Синергетическая модель наноструктурных состояний [Текст]/ Юрий Кабалдин // Вестник машиностроения. - 2008. - №4. - С. 51-58. 5. Суздалев, И. П. Физика-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов [Текст]/ Игорь Суздале// М.: КомКнига, 2006. - 592 с.

8

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

Ремонт и организация технического сервиса

УДК 621.726:539.26
В.И. Серебровский, доктор технических наук
Ю.П. Гнездилова, кандидат технических наук
ФГОУ ВПО Курская ГСХА
ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В статье приведены способы электроосаждения сплавов железа-молибдена, железа-вольфрама, железа-фосфора с применением ассиметрии переменного тока. Результаты исследований могут использоваться для получения покрытий высокого качества при упрочнении и восстановлении деталей машин.

      Сплавы железо-молибден и железо-вольфрам
      Значительный интерес для промышленности представляет применение электроосажденных сплавов на основе железа. Одними из наиболее эффективных легирующих элементов являются молибден и вольфрам, оказывающие наиболее резко выраженное воздействие на улучшение свойств стали.
      Исследования А.Т. Ваграмяна, М.А. Шлугера, М.М. Пасечника, А.Т. Васько и др. указывают на то, что при легировании молибденом и вольфрамом электролитических металлов получаются сплавы с высокими механическими свойствами. Однако исследованию свойств электролитических сплавов молибдена и вольфрама с наиболее распространенным и дешевым элементом - железом - посвящено крайне незначительное количество работ, причем, имеющиеся сведения зачастую носят противоречивый характер. Детальное решение этого вопроса будет способствовать получению покрытий высокого качества для упрочнения и восстановления деталей машин.
      Для определения условий электролиза, обеспечивающих получение износостойких железомолибденовых и железо-вольфрамовых покрытий, применялась методика планирования экспериментов. В качестве плана многофакторного эксперимента был принят латинский квадрат. Шесть первичных факторов: показатель асимметрии тока (Д), плотность катодного тока (ДД, концентрация легирующей соли (Сл.с.), кислотность электролита (рН), концентрация лимонной кислоты (Сл), температура электролита (t) варьировались на пяти уровнях (табл.1).


Таблица 1 - Значения уровней первичных факторов

Значение Разме  Уровни первичных факторов     
факторов рность  1  2       3     4       5  
   в             3  4       5     6       7  
дк       А/дм2  20  30      40    50    60   
Сл.с     кг/м3  0,2 0,5     0,8   1,1    1,4 
рН         -    0,6 0,7     0,8   0,9    1,0 
Сл       кг/м3   2  3       4     5       6  
   t       °С   20  30      40    50    60   

      Обработка результатов экспериментов производилась путем группировки данных по значениям каждого фактора. Поэтому при усреднении все прочие факторы, кроме того, по которому произведена      группировка,      уравнивались.
Следовательно, результаты зависели только от одного рассматриваемого фактора при средних значениях остальных. В дальнейшем производилась группировка исходных данных по значениям второго фактора, что позволило найти вторую частную зависимость результата от второго фактора, затем

частную зависимость от третьего фактора и т.д. Окончательная эмпирическая формула получилась как сумма и произведение частных эмпирических формул.
      Испытания по определению величины износа образцов проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме: вращающийся ролик-колодка в условиях, близких к граничному трению, и при трении без смазки. Контробразцами служили колодки из серого чугуна СЧ 18 и бронзы Брс 30. Площадь соприкасающихся поверхностей образцов составляла 2 см². Образцы прирабатывались до стабилизации момента трения и температуры. Износ определялся по потере массы образцами.
      Наиболее износостойкие железо-молибденовые покрытия получены при следующих условиях электроосаждения: показатель асимметрии - 6, катодная плотность тока - 40 А/дм², температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 0,8 - 1,0; концентрация лимонной кислоты - 4,5 кг/м³; концентрация молибдата аммония - 0,6-1,0 кг/м³. Оптимальная концентрация хлорида железа 350 - 400 кг/м³ [6].
      Оптимальные условия для железовольфрамовых покрытий следующие: хлорид железа -300 кг/м³; натрий вольфрамово-кислый - 4 кг/м³; лимонная кислота - 8 кг/м³, температура электролита - 40 °С, кислотность электролита рН - 1,0, плотность тока 30 А/дм² [7].
      Результаты сравнительных испытаний на износ показали, что износостойкость железо-молибденовых покрытий к стали 45 составила 176 % при трении в паре с чугуном и 194 % в паре с бронзой.
      Износостойкость       железо-вольфрамовых
покрытий на 72 % выше износостойкости закаленной стали 45 при трении с чугуном и на 85 % больше при трении с бронзой.
      При трении без смазки железо-молибденовые и железо-вольфрамовые     покрытия превосходят
износостойкость железных покрытий в 1,87...1,95 раза.
      Металлографические исследования показали, что электролитические железо-молибденовые и железовольфрамовые покрытия имеют ярко выраженную слоистую структуру (рис. 1). Толщина слоев достигает нескольких десятков и даже сотен микрометров.
      Причиной образования слоистой структуры покрытий, по-видимому, является периодическое защелачивание прикатодного пространства и, соответственно, периодическая кристаллизация гидрооксида железа.
      Термообработка сплавов до температуры 673 К приводит к практическому исчезновению слоистости, но на микротвердость покрытий заметного влияния не оказывает.

9

Ремонт и организация технического сервиса

Вестник ОрелГАУ 1’(09)

Fe-Mo

Мо = 0,5 %                          Мо = 1,0 %                          Мо = 1,5 %

Fe-W

W = 1 %

W = 2 %

W = 3 %

Рисунок 1 - Микроструктуры электроосажденных сплавов железо-молибден и железо-вольфрам (х 450)

      Сплав железо-фосфор
      Электролитические сплавы железа с фосфором благодаря своим особым эксплуатационным свойствам привлекают все больше внимание промышленности. Процесс осаждения железофосфорного покрытия на переменном асимметричном токе отличается высокой производительностью и малой стоимостью [1].
      Для осадков железа характерными признаками структуры являются слоистость, пористость и волокнистость. В зависимости от условий электролиза структура покрытий принимает тот или иной вид.
      Асимметричный ток существенно влияет на протекание многих электролитических реакций. Концентрация ионов железа в прикатодном слое увеличивается, что позволяет повысить рабочую плотность тока, а применение гипофосфита натрия несколько активирует поверхность катода, увеличивая скорость осаждения. Скорость возникновения центров кристаллизации опережающе растет по сравнению со скоростью формирования

самих кристаллов, а это приводит к образованию мелкокристаллической структуры.
      Оптимальные условия для железо-фосфорных сплавов следующие: хлорид железа - 350.400 кг/м³; гипофосфид натрия - 10.12 кг/м³; температура электролита - 303.313 К; кислотность электролита рН - 1,0; показатель асимметрии тока - 6; катодная плотность тока - 35.40 А/дм².
      Микроструктура железо-фосфорных осадков имеет ярко выраженную слоистость (рис.2).
      Это объясняется тем, что в процессе электролиза прикатодное пространство обедняется ионами водорода, разряжающимися на катоде, и происходит его защелачивание. При этом образуется практически нерастворимый гидрооксид железа, который постепенно накапливается в прикатодном пространстве до возможного максимума насыщения, и адсорбируется на поверхности осаждающегося металла, что вызывает перерыв в росте кристаллов железа. Затем процесс повторяется.

а)

б)

Рисунок 2 - Микроструктура железо-фосфорного сплава (поперечный шлиф х350), полученного при различном содержании фосфора в покрытии: а) 1 %; б) 2 %; в) 3 %

10