Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Представлены результаты завершенных исследований и практического применения на предприятиях оборонно-промышленного комплекса изделий со сварными швами и защитными покрытиями, полученными электронно-лучевой сваркой, упрочнением и порошковой электронно-лучевой наплавкой в вакууме. В результате комплексного анализа коллективом авторов в Проблемной лаборатории процессов сварки и создания защитных покрытий АлтГТУ им. И.И. Ползунова на основе более чем 25-летнего опыта в области электронно-лучевых технологий разработана технология электронно-лучевого упрочнения наиболее технологически сложных поршневых алюминиевых сплавов заэвтектического состава марки АК21М2,5Н2,5. Авторами была разработана и прошла успешное тестирование технология производства составного поршня из высококремнистого алюминиевого сплава АК21М2,5Н2,5, изготовленного из двух частей с последующей их сваркой электронным лучом. Упрочнение с оплавлением рабочих кромок матриц для горячего деформирования распылителей дизельного топлива позволило на ОАО «Алтайдизель» повысить разгаростойкость поверхности в 2 раза. Актуальным является практическое использование электронно-лучевой технологии наплавки высоколегированных порошковых сплавов на основе системы Ni-Cr-B-Si для ремонта и восстановления изношенных поверхностей тяжелонагруженных деталей: коленчатых и распределительных валов ДВС, крестовин, шаровых опор, толкателей распределительного валика, ступиц шкивов клиноременных передач, ходовых винтов и др. Для создания защитных покрытий на уплотнительных поверхностях запорной паровой котельной и трубопроводной арматуры - седел, тарелок и сфер - была предложена технология прямой порошковой электронно-лучевой наплавки в вакууме. Разработанные технологии могут быть рекомендованы к внедрению на предприятиях Алтайского края, специализирующихся в области двигателестроения при производстве новых или восстановлении и ремонте изношенных деталей и комплектующих для двигателей внутреннего сгорания.

Для нанесения металлокерамических покрытий WC-CoCr и WC-NiCr на стальную основу использовался метод сверхзвукового газовоздушного напыления - HVAF. Целью настоящего исследования являлось сравнение значений сопротивления представленных покрытий коррозионно-кавитационному воздействию методом ультразвуковых колебаний в жидкой среде с приложением постоянного напряжения 12 В. Для оценки исходной шероховатости рабочей поверхности образцов из материала подложки и покрытий перед испытанием использовали оптическую 3D-профилометрию. С целью изучения микрорельефа поверхности покрытий после испытания использовали сканирующую электронную микроскопию. Результаты испытаний на кавитационную стойкость покрытия WC-NiCr показали приблизительно на 20 % лучшее сопротивление кавитационному изнашиванию по сравнению с покрытием WC-CoCr в данных условиях. Общие потери массы для WC-NiCr-покрытия достигали 0,66 % от исходной массы образца, в то время как для WC-CoCr-покрытия составили около 0,82 %. Сканирующая электронная микроскопия испытанных образцов показала наличие более выраженного рельефа и относительно крупных пор кавитационного происхождения на поверхности WC-CoCr-покрытия по сравнению с WC-NiCr. Таким образом, метод высокоскоростного термического напыления HVAF может использоваться в качестве эффективного метода нанесения металлокерамических коррозионно-стойких покрытий для защиты деталей из конструкционных материалов, так как позволяет повысить сопротивление кавитационному эрозионно-коррозионному износу. Так, по сравнению с материалом подложки (сталь 40) стойкость к кавитации повысилась в 2,3 и 1,8 раза для WC-NiCr- и WC-CoCr-покрытий соответственно.

Методы теории оптимального управления (принцип максимума Понтрягина, метод моментов) позволяют ставить и решать задачи оптимального управления техническими и технологическими процессами с ограничениями на управление. Это дает возможность применять методы теории оптимального управления для оптимизации процессов сварки с ограничениями на концентрированные сварочные источники. Моделирование сварочных источников в более широком классе кусочно-непрерывных и кусочно-постоянных функций позволяет описывать с большей точностью целый ряд высококонцентрированных источников, которые генерируются современным сварочным оборудованием и применяются в технологиях сварки. В современной теории сварочных процессов и технологии сварочного производства применяются такие источники нагрева, у которых параметры могут изменяться безынерционно. Так, например, у многих сварочных источников (излучения лазера, пучка электронов, электрической дуги) мощность в импульсном режиме изменяется мгновенно, практически безынерционно. А источники нагрева, формируемые пучком электронов, являются безынерционными при управлении их перемещением, мощностью и фокусировкой. Исходя из этого, учитывая свойство безынерционного (скачкообразного) изменения основных параметров (формы пятна нагрева, мощности, распределения плотности мощности по пятну и др.), модель источника необходимо строить в классе разрывных функций. Это, в свою очередь, позволяет ставить и решать задачи поиска оптимальных режимов сварки с применением новейших методов теории оптимального управления. Одним из основных технологических приемов формирования сварочных источников с необходимой формой пятна нагрева и соответствующим распределением плотности мощности являются колебательные движения нормально-кругового источника по схеме строчной развертки. В случае строчной развертки нормально-полосовой источник наиболее точно описывает равномерное распределение плотности мощности по длине пятна нагрева и в поперечном сечении. Разрывы первого рода на границе пятна нагрева можно обеспечить с допустимой погрешностью.

Существенной проблемой при производстве корпусных конструкций специальной техники является сварка высокопрочных и особо высокопрочных сталей с пределом прочности свыше 800 МПа. Высокопрочные легированные стали в сравнении с обычными низкоуглеродистыми и низколегированными требуют специфического подхода к изготовлению сварных конструкций. Основной сложностью при сварке (наплавке) данных сталей является высокая склонность металла шва и зоны термического влияния к появлению холодных и горячих (кристаллизационных) трещин, а также образование структурных фаз, которые снижают сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Другой существенной проблемой при сварке данных сталей является получение механических характеристик сварных швов, сопоставимых с уровнем основного металла без применения термической обработки сварных конструкций. На сегодняшний день сварку высокопрочных легированных сталей в корпусном производстве осуществляют с использованием ферритно-перлитного или аустенитного электродного металла. Общими недостатками используемых на данный момент технологий сварки корпусов спецтехники являются невысокие механические характеристики сварных швов. Решение проблемы свариваемости высокопрочных легированных сталей и повышения механических свойств МШ и околошовной зоны должно основываться на подборе оптимальных термических циклов сварки и правильном выборе сварочных материалов. Проанализированы основные пути решения проблемы свариваемости высокопрочных сталей, указано направление разработки порошковой проволоки с целью повышения механических свойств МШ, а также предложена собственная технология сварки, учитывающая особенности серийного производства и позволяющая исключить необходимость выполнения такой дорогостоящей технологической операции, как термическая обработка. Установлено, что дефектов в виде трещин на линии сплавления и в ЗТВ при металлографическом исследовании микрошлифов не было обнаружено. Разработанная порошковая проволока с системой легирования Fe-Cr-Mn-Mo-N, содержащая до 0,3 мас. % азота, позволяет получить аустенитную структуру в МШ с повышенными механическими свойствами.

Исследованы особенности формирования структуры металла на основе легированного алюминида Ni3Al, наплавленного при использовании различных скоростей дуговой наплавки композиционной проволокой. Экспериментально установлено, что качественное формирование наплавленного металла в условиях термического цикла процесса дуговой наплавки обеспечивается в диапазоне значений ее погонной энергии q = 8,5…33 кДж/см. Энергетическая составляющая величины q ограничена диапазоном сварочного тока 280-300 А и напряжения на дуге 25-27 В, что обеспечивает близкое к однородному плавление компонентов наполнителя КП, содержащих в своем составе легко- и тугоплавкие элементы и имеющих наибольшие значения коэффициентов их перехода в наплавленный металл. Показано, что в условиях термического цикла наплавки ее скорость следует ограничивать в пределах 16-18 м/ч с целью предотвращения образования избыточных тпу-фаз. Формирующаяся в этом случае структура наплавленного металла характеризуется достаточно высокой дисперсностью двух основных ее составляющих - (γ + γ')-твердых растворов, образующихся с участием эвтектической и перитектической реакций. Установлено, что повышенная термостойкость легированного ультрадисперсными частицами карбида WC наплавленного металла достигается вследствие меньшей его склонности к огрублению и укрупнению частиц γ'э-фазы. Выполненная оценка показателя жаростойкости K (соотношение массы образца после испытания и исходной массы образца) показала, что исследуемый тип наплавленного металла более эффективно сопротивляется химическому разрушению поверхности при высокотемпературных нагревах по сравнению со сплавами, содержащими в своем химическом составе хром в большом количестве (20 и более мас. %).

Эксплуатационные характеристики зубчатых зацеплений определяются качеством изготовления рабочих поверхностей сопрягающихся зубчатых колес. Разработан способ зубохонингования рабочих поверхностей зубьев с помощью глобоидного алмазно-абразивного червяка. Профилирование глобоидного червяка выполнено по методике, используемой в теории зубчатого зацепления. При заданном торцовом профиле детали с помощью формул преобразования координат и уравнений касания (уравнений зацепления) рассчитывается профиль глобоидного червяка при заданной кинематике сопряжения и параметрах установки глобоидного инструмента. Для создания усилия обработки глобоидный инструмент необходимо внедрять в обрабатываемую поверхность. При этом характер изменения профиля детали определяется новым положением глобоидного абразивного хона, определяемого отклонениями параметров установки глобоидного инструмента. Характер отклонения профиля детали определяется теоретически по перпендикуляру к теоретическому профилю в ходе решения обратной задачи профилирования. Выведенные аналитические зависимости позволяют рассчитывать отклонения действительного профиля от теоретического в зависимости от параметров установки глобоидного хона и определять влияние каждого параметра в отдельности или комплексное влияние всех параметров одновременно. В дальнейшем эти зависимости можно использовать для определения усилий резания в зоне контакта глобоидного червяка и ротора винтового забойного двигателя и затем перейти к расчету величины съема материала и шероховатости получаемых рабочих поверхностей детали в зависимости от характеристик абразивного слоя глобоидного червяка. Значительная протяженность линии контакта при глобоидном зацеплении предполагает разработку методики определения отклонений реального и теоретического профилей в разных точках линии контакта.

Изучается проблема повышения долговечности по износу подающих и гибочных роликов пружинонавивочных автоматов. Контакт роликов с пружинной проволокой рассматривается как фрикционное взаимодействие пары легированная сталь-углеродистая сталь, в которой из-за особенностей работы значительно изменяется структура и химический состав контактных слоев с образованием в них вторичных структур с абразивными свойствами. Экспериментальным моделированием фрикционного взаимодействия образцов двух марок высоколегированных сталей с углеродистой пружинной сталью показано, что износ легированной стали может быть существенно снижен предварительной обработкой магнитным полем. Предполагается, что изнашивание легированной стали осуществляется особо твердыми вторичными структурами, возникающими за время контакта на сопряженной углеродистой стали. Специальными опытами на парах трения легированная сталь-углеродистая сталь с измерением микротвердости следов трения показано, что такие структуры образуются, а магнитная обработка этому препятствует. По результатам статистического анализа обширного массива измерений установлено проявление во фрикционном контакте упрочняющих механизмов не только деформационной природы, но и механизмов, связанных с химическими превращениями, образованием прочных ковалентных связей, которые и обусловливают абразивные свойства вторичных структур. Серией триботехнических опытов с проведением спектрального анализа и оценкой химического состава следов трения по углеродистой стали выявлена решающая роль массопереноса углерода и карбидообразующих элементов из сопряженной легированной стали, за счет чего происходит образование твердых вторичных структур на поверхности углеродистой стали. Показано, что происходит дополнительное науглероживание наружных слоев ее кристаллической решетки, которое, кроме традиционного упрочнения за счет ее искажения, оказывает каталитическое действие на реализацию механизмов химической природы в виде образования легированного цементита, карбидной фазы и интерметаллидов, несмотря на кратковременность фрикционного контакта. Делается вывод, что влияние магнитной обработки состоит в повышении структурной стабильности контактных слоев решетки легированных сталей при фрикционном взаимодействии с углеродистой сталью за счет формирования внутри решетки энергетического барьера для диффузионного массопереноса углерода и легирующих элементов.