Технологии ремонтно-восстановительного производства как составляющая подготовки современного инженера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ПОДГОТОВКИ СОВРЕМЕННОГО ИНЖЕНЕРА

Каменев С. В., канд. техн. наук,

Искандаров В. З., магистрант

Одним из основных факторов, определяющих срок службы деталей машин и различного технологического оборудования, является их износ. Металлические детали часто выходят из строя до окончания своего запланированного срока службы не из-за поломки, а из-за их изнашивания, которое приводит к нарушению их размеров и функциональности. Под износом понимается постепенное удаление материала с рабочих поверхностей деталей, являющееся результатом их относительного движения. Существуют различные виды износа, но наиболее распространенными видами являются абразивный, ударный, адгезионный (металлический) и коррозионный износ. Большинство деталей выходят из строя не по причине единственного вида износа, а по причине их комбинаций, например, абразивного и ударного, абразивного и адгезионного и т.п. Удельный вес различных видов износа в общем балансе износа деталей машин показан на рисунке (рисунок 1а).

Рисунок 1 Удельные доли различных видов износа в промышленности

Абразивный износ происходит, когда одна нагруженная поверхность перемещается относительно другой при наличии наклонной или криволинейной области контакта. В этом случае возникает эффект строгания, который приводит к удалению некоторого объема материала с менее твердой поверхности и образованию на ней канавок износа.

Ударный износ является следствием повторяющегося соударения деталей, приводящего к сплющиванию, выдалбливанию и растрескиванию их поверхностей. Интенсивность ударного износа зависит от ударной вязкости взаимодействующих материалов, под которой понимается способность материалов накапливать энергию перед своим разрушением путем пластического деформирования.

Адгезионный износ происходит при скользящем контакте двух металлических поверхностей, находящихся под нагрузкой в условиях сухого или полусухого трения. Он является результатом схватывания (холодного сваривания) металлических поверхностей, приводящего к значительному пластическому деформированию зоны контакта и ее постепенному разрушению с откалыванием частиц материала.

Коррозионный износ имеет место при относительном скольжении поверхностей, находящихся в агрессивных средах как результат их химического и электрохимического взаимодействия. Это взаимодействие приводит к преобразованию поверхностных слоев в различные продукты реакций, частицы которых постепенно удаляются из зоны контакта при движении сопряженных поверхностей.

Схемы образования различных видов износа показаны на рисунке 1б. Комбинации указанных видов износа могут приводить к значительным повреждениям деталей при эксплуатации и их преждевременному выходу из строя. В связи с этим на протяжении многих лет ведутся исследования в области разработки методов повышения износостойкости деталей и восстановления изношенных деталей. Одним из таких наиболее распространенных методов является наплавка.

Наплавка представляет собой метод осаждения слоев специальных износостойких сплавов на металлические поверхности деталей для повышения сопротивляемости истиранию, коррозии, высоким температурам, адгезии и ударам, а также их различным комбинациям. Несмотря на то, что в настоящее время наплавка используется, преимущественно, для восстановления изношенных деталей (рисунок 2), она также применяется и для новых изделий перед их вводом в эксплуатацию.

Рисунок 2 Пример восстановления поврежденного изделия методом наплавки

В современной промышленности наплавка используется для:

1) сокращения затрат - наплавка изношенных деталей до состояния «как новые» обычно экономит 25-75% стоимости замены деталей;

2) увеличения срока службы деталей - наплавка продлевает срок службы деталей от 30 до 300 раз (в зависимости от особенностей эксплуатации) по сравнению с ненаплавленными деталями;

3) сокращения времени простоев оборудования - детали с увеличенным сроком службы требуют меньшего числа отключений оборудования для их замены;

4) уменьшения площади складских помещений под запасные детали - потребность в большом количестве запасных деталей просто отпадает при наличии возможности восстановления изношенных деталей.

На практике наплавка может осуществляться с использованием различных сварочных процессов, выбор которых зависит от ряда факторов, таких как функциональное назначение наплавляемой детали, химического состава ее металла, размеров и формы детали, доступности сварочного оборудования, состояние поверхностей изношенной детали, числа одинаковых элементов, подлежащих наплавке и т.д. Существующие процессы, используемые для наплавки, могут быть сгруппированы следующим образом: наплавка износ сварочный промышленность

? наплавка дуговой сваркой - дуговая сварка покрытым электродом, дуговая сварка порошковой проволокой, дуговая сварка под флюсом;

? наплавка газовой сваркой - ацетиленокислородная сварка;

? наплавка комбинацией дуговой и газовой сварки - дуговая сварка неплавящимся электродом, дуговая сварка в защитных газах;

? порошковое напыление - газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, электродуговое напыление, напыление плазменной дугой;

? лазерная наплавка.

В настоящее время для наплавки применяется множество различных сплавов, которые подразделяются на следующие четыре категории:

1) низколегированные железоуглеродистые сплавы, содержащие до 12 % легирующих компонентов обычно в виде хрома, молибдена и марганца;

2) высоколегированные железоуглеродистые сплавы, содержащие от 12 % до 50 % легирующих добавок, где помимо хрома, присутствующего во всех наплавляемых железоуглеродистых сплавах, может также содержаться никель или кобальт;

3) сплавы на основе кобальта и никеля, которые содержат относительно небольшое количество железа (от 1,3 % до 12,5 %). К наиболее дорогим, но в тоже время наиболее универсальным из них, относятся кобальто-хромо-вольфрамовые сплавы. Все сплавы на кобальтовой и никелевой основе обладают высокой коррозионной устойчивостью и низким коэффициентом трения, что делает их особенно полезными в условиях адгезионного износа, кроме того, на эти сплавы почти всегда падает выбор в условиях работы при повышенных температурах от 550°C и выше;

4) материалы на основе карбида вольфрама. Карбид вольфрама является одним из самых твердых материалов, применяемых в промышленности. В связи с тем, что он имеет очень высокую температуру плавления, при наплавке он измельчается в порошок и наплавляется в смеси с порошком «связующего» металла с более низкой температурой плавления. Обычно частицы карбида вольфрама, используемые для наплавки, запаиваются в полые стальные стержни.

Выбор материала для наплавки зависит от:

? металла восстанавливаемой или улучшаемой детали, которым, как правило, являются стали, подразделяемые на низкоуглеродистые и низколегированные, среднеуглеродистые, высокоуглеродистые и нержавеющие стали;

? типа износа и состояния наплавляемой поверхности;

? предполагаемого метода наплавки.

Независимо от вида наплавляемого материала и метода его наплавки процедура его осаждения на поверхность детали требует выполнения ряда этапов, к которым относятся:

? подготовка поверхности, заключающаяся в ее очистке металлической щеткой, абразивом или растворителем от грязи, масел, ржавчины и т.д.;

? позиционирование наплавляемой детали, которое заключается в ее расположении таким образом, чтобы наплавляемая поверхность располагалась горизонтально либо под небольшим углом к горизонтали;

? предварительный нагрев поверхности, который способствует:

а) снижению вероятности образования трещин;

б) уменьшению остаточных напряжений и деформаций;

в) уменьшению пористости наплавленного слоя;

г) улучшению микроструктуры наплавленного слоя;

? создание «буферного» слоя, под которым понимается промежуточный слой между основным и наплавляемым материалом, «разбавляющего» содержание углерода и легирующих добавок в основном металле, что способствует улучшению качества наплавки;

? выбор способа ограничения температурных деформаций, которым может быть:

а) использование наплавляемых материалов, которые способствуют снятию напряженного-деформированного состояния сварочного шва путем образования микротрещин при его охлаждении;

б) фиксация деталей в определенном положении;

в) предварительная деформация детали в направлении, противоположном тому, в котором ожидается температурная деформация детали;

г) регулирование режима предварительного нагрева;

д) использование правильной последовательности наплавки;

? выбор метода контроля разбавления наплавляемого металла, под которым понимается изменение его химического состава, которое вызывается смешиванием с основным металлом или металлом ранее наплавленных слоев и зависит от ряда факторов, таких как:

а) скорость наплавления;

б) сварочный ток;

в) температура предварительного нагрева;

г) положение наплавляемой поверхности;

д) метод наплавки и т.д.;

? собственно осаждение (наплавка) металла, которое может осуществляться одним из трех основных методов, которыми являются:

а) осаждение сплошным слоем, используемое для восстановления деталей, подверженных интенсивному износу, и заключающееся в полном покрытии перекрывающимися валиками всей наплавляемой поверхности;

б) осаждение узкими валиками, используемое, когда нет необходимости полного покрытия поверхности, и заключающееся в нанесении на поверхность валиков по выбранному шаблону, чаще всего, по «вафельному» или «елочкой»;

в) точечное осаждение, используемое для поверхностей не подверженных большому износу, и заключающееся в нанесении металла отдельными точками диаметром от 15 до 20 мм.

? финишная обработка наплавленной поверхности, которая обычно включает в себя ее шлифование и снятие остаточных напряжений.

В настоящее время технологии наплавки широко используются во многих отраслях промышленности для ремонта узлов и восстановления компонентов сельскохозяйственной, автомобильной и строительной техники, оборудования химических и пищевых производств, режущих инструментов и металлообрабатывающего оборудования, оборудования нефтегазовой и горнодобывающей промышленности и т.д. Это объясняется тем, что наплавка является экономичным средством, позволяющим увеличить срок службы разнообразных компонентов промышленного оборудования. Экономический эффект процесса наплавки зависит от правильного выбора наплавочного материала и его химического состава для конкретной практической задачи. Для того, чтобы получить максимальный эффект к этому выбору следует относиться очень тщательно с учетом возможности реализации всех последующих этапов наплавки.

Все это накладывает высокие требования на уровень профессиональной подготовки инженера, задействованного в ремонтно-восстановительном производстве. Современный инженер соответствующего профиля должен быть способен:

? разрабатывать технологические процессы наплавки и применять специальное оборудование для наплавки, используя знания о специфике производства и эксплуатации изделий, свойствах и характеристиках основного и наплавляемого металла;

? проводить исследования, направленные на разработку и испытания новых процессов и процедур производства, улучшение существующего или создание нового сварочного оборудования, разработку новых или модификацию существующих методов и технологий наплавки, построение новых моделей сварочных явлений, формулировку и обоснование гипотез;

? внедрять технологические процессы наплавки в производство и разрабатывать инструкции для рабочего персонала, касающиеся выполнения процессов наплавки;

? выполнять экспериментальные исследования, направленные на оценку нового оборудования, методов и материалов для наплавки.

Несмотря на то, что перечисленные компетенции могут быть окончательно сформированы только при наличии достаточного опыта работы в условиях конкретного производства, их надежным фундаментом является соответствующая подготовка в ВУЗе. По этой причине в учебные планы различных направлений подготовки студентов, ориентированных на машиностроительное производство, необходимо включать дисциплины, содержание которых обеспечит выпускнику надлежащий уровень подготовки в рассматриваемой области и, тем самым, его конкурентоспособность на современном быстроразвивающемся рынке труда.

Список литературы

1. Dumovic, M. Repair and Maintenance Procedures for Heavy Machinery Components / M. Dumovic // Welding Innovation. 2003. Vol. XX(1). 5 p.

2. Modern Tribology Handbook: in 3 Vol. / Editor-in-chief B. Bhushan. Boca Raton: CRC Press, 2001. Vol. 1: Principles of Tribology. 765 p. ISBN 9780849377877.

3. Pradeep, G.R.C. A Review Paper on Hardfacing Processes and Materials / G.R.C. Pradeep, A. Ramesh, B.D. Prasad // International Journal of Engineering Science and Technology. 2010. Vol. 2(11). P. 6507-6510.

4. Review on Hardfacing as Method Of Improving the Service Life of Critical Components Subjected to Wear in Service / C. Okechukwu [at al.] // Nigerian Journal of Technology. 2017. Vol. 36(4). P.1095 - 1103.

5. Shibe, V. Enhancement in Wear Resistance by Hardfacing: A Review / V. Shibe, V. Chawla // Mechanica Confab. 2013. Vol. 2(3). P.111-122.

Размещено на Allbest.ru