Диссертация (Разработка технологических основ нанесения алюмоматричного композиционного материала на сегмент упорного подшипника скольжения)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н.Э. БАУМАНАна правах рукописиКОВАЛЁВ ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧУДК 621.791.92РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ НАНЕСЕНИЯАЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НАСЕГМЕНТ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯСпециальность – 05.02.10Технологии и машины сварочного производстваДиссертация на соискание учёной степени кандидата технических наукНаучный руководительКандидат технических наукМИХЕЕВ Роман СергеевичМосква–20172ОглавлениеСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………ГЛАВА1.ОБОСНОВАНИЕПРИМЕНЕНИЯ5ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННОГО АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГОМАТЕРИАЛА В КАЧЕСТВЕ АНТИФРИКЦИОННОГО И ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………………………131.1.Традиционные материалы подшипников скольжения паровых турбин 131.2.

Антифрикционные материалы на основе алюминия для подшипниковскольжения паровых турбин…………………………………………………. 171.3. Нанесение покрытий из алюминиевых композиционных материаловна стальную основу…………………………………………………………… 221.3.1. Особенности создания соединений сталь-алюминий………………. 221.3.2. Способы нанесения алюминиевых покрытий на поверхность стали 291.4. Постановка задач исследования………………………………………… 38ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ………………. 412.1.

Применяемые материалы и методы получения покрытия…………….412.1.1. Применяемые материалы…………………………………………….. 412.1.2. Получение промежуточных слоев…………………………………… 422.1.3. Получение покрытий…………………………………………………472.2. Выбор допустимой доли наполнителя в присадочном материале……. 492.3. Методы исследования структуры образцов……………………………. 512.3.1. Определение параметров диффузионной зоны………………………. 522.3.2. Оценка распределения частиц в наплавленном композиционномпокрытии………………………………………………………………………. 542.4.

Измерение температур…………………………………………………… 582.5. Определение механических и трибологических свойств……………… 592.5.1. Определение микротвердости………………….……………………592.5.2. Определение адгезионной прочности………………………………. 602.5.3. Испытания на трение и износ………………………………………..613Стр.ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ НА ГРАНИЦЕРАЗДЕЛА СТАЛЬ-АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ И МЕХАНИЧЕСКИХСВОЙСТВ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СОЕДИНЕНИЯ…… 643.1. Исследование диффузионной зоны при нанесении промежуточныхслоев из алюминия……………………………………………………………. 643.1.1.

Исследование диффузионной зоны на границе раздела стальалюминиевый промежуточный слой, полученный жидкофазным методом 643.1.2. Исследование диффузионной зоны на границе раздела стальалюминиевый промежуточный слой, полученный твердофазным методом 673.2. Исследование влияния процесса нанесения алюмоматричногопокрытия на характеристики диффузионной зоны на границе разделасталь-промежуточный слой…………………………………………………..

703.2.1. Исследование диффузионной зоны на границе раздела стальалюминий при нанесении покрытия на сталь с промежуточный слоем изцинка…………………………………………………………………………… 703.2.2.Исследование диффузионной зоны на границе раздела стальалюминий при нанесении покрытия на сталь с полным проплавлениемпромежуточного слоя из алюминия…………………………………………. 753.2.2.1.Нанесение покрытия на сталь с промежуточным слоем изалюминия, полученного дуговым алитированием…………………………..

763.2.2.2. Нанесение покрытия на сталь с промежуточным слоем изалюминия, полученным сваркой взрывом…………………………………... 793.3. Исследование диффузионной зоны на границе раздела стальалюминий, при нанесении покрытия на промежуточный слой алюминия,полученного сваркой взрывом и отсутствием контакта расплава истальной основы………………………………………………………………. 883.4. Схемы формирования диффузионной зоны…………………………….. 913.6. Выводы по главе 3………………………………………………………..

974Стр.ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯОЦЕНКИТЕПЛОВОГОАРГОНОДУГОВОЙВОЗДЕЙСТВИЯНАПЛАВКИПРОЦЕССААЛЮМОМАТРИЧНОГОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА СТАЛЬНУЮ ПЛАСТИНУ САЛЮМИНИЕВЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ СЛОЕМ………………………. 1004.1. Программное обеспечение для создания математической модели……. 1024.2. Математическое описание условий процесса аргонодуговой наплавки 1074.3. Верификация результатов моделирования……………………………… 1114.4.

Определение предельной температуры нагрева, обеспечивающеймаксимальную прочность соединения………………………………………. 1204.8. Выводы по главе 4………………………………………………………... 124ГЛАВА5.РАЗРАБОТКАТЕХНОЛОГИИАРГОНОДУГОВОЙНАПЛАВКИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ AL-SICНА СЕГМЕНТ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ…………... 1265.1. Выбор доли наполнителя в покрытии из композиционного материала 1265.1.1.Оценкараспределениячастицвнаплавленномпокрытии………………………………………………………………………. 1275.1.2. Исследование влияния содержания частиц SiC в наплавляемыхпрутках из композиционного материала на жидкотекучесть……………….

1335.2.Исследованиеалюмоматричныхтрибологическихкомпозиционныхсвойствматериалов,покрытийизполученныхаргонодуговой наплавкой…………………………………………………….. 1345.3. Определение необходимой толщины покрытия колодки упорногоподшипника…………………………………………………………………… 1395.4. Выводы по главе 5………………………………………………………... 140ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ142Список литературы…………………………………………………………… 1455СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙКМ – композиционный материалн.у. – низкоуглеродистаяИМ – интерметаллидыПК – программный комплексНКИ – нормально-круговой источник6ВВЕДЕНИЕВ соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации№321 от 15 апреля 2014 года об утверждении государственной программыРоссийской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики», в периодс 2013 по 2020 года необходимо провести ввод более 14000 МВт новых тепловыхэлектростанций, а также обеспечить повышение надежности электроснабженияи уровня безопасности работы электроэнергетической инфраструктуры,недопущение крупных аварий и длительных перерывов в электроснабжении [1].При этом общий объем электрической энергии, вырабатываемой тепловымиэлектростанциями на территории России, составляет 68% [2].

Одним изосновных блоков таких электростанций является паротурбинная установка,непосредственно вырабатывающая электрическую энергию. Анализ аварийпроизошедших за последние 30 лет на тепловых электростанциях показывает,что 72% от общего числа аварий связанно с выходом из строя этого блока [2].При этом до 25% причин отказов вызвано повреждением подшипниковскольжения паровых турбин, следствием чего является выход из строя всегоблока [3–5].

Поэтому увеличение межремонтного срока службы и снижениевероятности возникновения критического износа в нештатных ситуациях, такихкак разнотолщинность колодок подшипника, установка с перекосом, режимполусухого трения в момент пуска и останова турбины и других, являетсяважной задачей. В связи с этим существует необходимость увеличения несущейспособности и износостойкости подшипников скольжения, не увеличивая приэтом значение коэффициента трения.Большая часть подшипников скольжения, применяемых в настоящее время,представляет из себя биметаллические конструкции, состоящие из стальногооснования и специального слоя из антифрикционного сплава.

К группеантифрикционных сплавов относятся баббиты, бронзы, латуни, некоторыесплавы на основе алюминия. Выбор материала зависит от режима смазки и7условий работы подшипника. Среди антифрикционных материалов наибольшеераспространение, благодаря минимальным значениям коэффициента трения ихорошей прирабатываемости, получили баббиты.

Антифрикционные слои наоснове меди, в отличие от баббитов, выдерживают более высокие нагрузки, носклонны к интенсивной коррозии и могут приводить к повреждению вала. Посравнению с баббитами, более дешевые алюминиевые антифрикционные сплавыотличаются меньшей плотностью, более высокой теплопроводностью ипрочностью.

Благодаря хорошей теплопроводности граничный слой смазки наэтих сплавах сохраняется при более высоких скоростях скольжения и нагрузках.Узлы трения, в которых применяют алюминиевые антифрикционные покрытия,обладают лучшей работоспособностью по сравнению с покрытиями на меднойоснове и не приводят к разрушению вала при аварийных ситуациях. Немаловажным фактором является то, что стоимость алюминиевых сплавовпримерно в 3 раза меньше стоимости медных антифрикционных сплавов и в 10раз меньше стоимости баббитов. Алюминиевые сплавы легче выплавляются иобрабатываются механически, а также являются более экологически чистыми[6].Из всего разнообразия алюминиевых материалов особый интерес, в качествематериаладляантифрикционногопокрытияподшипниковскольжения,представляют алюмоматричные композиционные материалы (КМ), армированныекерамическими частицами. Эти материалы обладают комплексом полезныхфизических и технологических свойств, имеют низкий коэффициент трения ивысокую износостойкость, что определяет перспективу их применения в качествеантифрикционных покрытий.

Монометаллические изделия из этих материаловпоказали положительные результаты своей работы [7,8]. Однако в настоящее времяотсутствует опыт применения таких композиционных материалов для созданияантифрикционных покрытий подшипников паровых турбин. Исходя из этого,имеет практическое значение исследование возможности создания покрытия изалюмоматричных КМ на поверхности стальной опоры подшипников скольженияпаровых турбин.8АктуальностьподтверждаетсявыбраннойегоРФФИ 16 - 58 - 00014темывыполнением«Получение,диссертационноговрамкахуправлениеиисследованияреализациипроектаконтрольфизико-механических характеристик композиционных покрытий из цветных сплавов сградиентной структурой»ЦЕЛЬ РАБОТЫ – повышение износостойкости и расширение диапазонатрибонагружения подшипников скольжения.СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит извведения, 5 глав, общих выводов и результатов работы, списка использованнойлитературы. Она изложена на 155 листах машинного текста, содержит 85 рисункови 18 таблиц. Список литературы содержит 113 наименований.В первой главе приведен обзор применяемых в настоящее время втурбостроении антифрикционных материалов и показана перспективностьприменениявместонихдисперсно-наполненныхалюмоматричныхКМ.Рассмотрены особенности создания алюминиевых покрытий на поверхности стали,в частности опыт создания подшипниковых узлов с применением алюминиевыхантифрикционных материалов.

Исходя из имеющихся сведений о прочностисталеалюминиевыхсоединений,полученныхразличнымиспособами,антифрикционных свойств покрытий, получаемых с применением КМ, былавыбрана дуговая наплавка в качестве способа нанесения покрытия. Определеныфакторы, влияющие на прочностные свойства сталеалюминиевых соединений,сформулирована цель диссертационного исследования, определены задачи,обеспечивающие ее достижение.Во второй главе описаны материалы образцов, технологические схемысоздания покрытий и методы исследования.Во третьей главе описаны, результаты металлографического анализадиффузионной зоны с интерметаллидным слоем на границе материаловсталеалюминиевых соединений, полученных с применением различных схем,результаты измерения микротвердости диффузионного слоя и прочностныхиспытаний полученных покрытий.