Совершенствование технологии электроискрового легирования стальных деталей буровых установок и горнодобывающего оборудования

В Российской Федерации уделяется особое внимание проведению различных видов геолого-разведочных работ. Это связано с тем, что экономика страны имеет преимущественно выраженный сырьевой характер по следующим причинам [13]:

1. Россия чрезвычайно богата полезными ископаемыми, их объем составляет примерно 30% всех мировых запасов.
2. Добыча полезных ископаемых дает нашей стране примерно 30% валового внутреннего продукта.
3. Добываемое сырье до 50% экспортируется и приносит до 80% валютной выручки в бюджет страны.

Геолого-разведочные работы, горнодобывающие процессы и непосредственно добычу полезных ископаемых невозможно осуществлять без применения различных видов техники и оборудования, которые классифицируются как по способу добычи полезных ископаемых (открытый способ, карьер или шахта), так и по виду работ в горном деле. Для каждого вида работ используется специализированные машины [14]: горные экскаваторы, карьерные самосвалы, погрузчики и бульдозеры и другое разнообразное оборудование (буровые станки, дробильно-сортировочное оборудование, проходческие комбайны, погрузочно-доставочные машины и т.д.).

Практически во всех видах горнодобывающей техники применяются разнообразные гидравлические системы и устройства: гидравлический инструмент, гидрозамки, гидрораспределители, гидронасосы, плунжерные насосы, насосные станции высокого давления, гидравлические прессы, гидромоторы, гидроцилиндры и др. [15]. Основным из центральных факторов, который влияет на ресурс применяемых гидроцилиндров, гидронасосов и др., является гидроабразивное изнашивание деталей, вследствие которого на горно-обогатительных комбинатах наиболее часто требуют замены штоки гидроцилиндров, рабочие колеса, плунжеры, бронедиски и другие детали [10][11].

Как показывает реальная практика, замена деталей, отработавших рекомендуемый срок эксплуатации, вовремя не осуществляется. Это связано с дефицитом запасных частей для насосов, высокой трудоемкостью и сложностью их замены. Поэтому многие насосы большую часть своего рабочего времени эксплуатируются с пониженной эффективностью, что негативно отражается на экономике горно-обогатительного предприятия.

В научной литературе приводятся исследования [12][19][20], в которых предлагают разнообразные варианты увеличения ресурса эксплуатации гидронасосов в условиях гидроабразивного изнашивания. Для этого предлагается нанесение абразивных смесей на трибоповерхности, различных видов напыления и наплавки. Однако такие технологии изменения качества и свойств поверхности приводят к увеличению ее шероховатости и неравномерности дальнейшего изнашивания, что снижает КПД. Поэтому изучение формирования износостойких покрытий на основе модификации композиционными материалами с целью повышения трибологических характеристик стальных деталей требует дополнительного исследования.

Следует отметить, что разработка эффективных способов и технологий, которые позволят уменьшить гидроабразивный износ и максимально увеличить ударно- и износостойкость, является особенно важной и актуальной проблемой отрасли, т.к. они могут существенно повысить долговечность и надежность техники. Актуальность указанной проблемы обусловливает проведение комплексных исследований по материалам износостойких и ударопрочных покрытий, формируемых на быстроизнашиваемых деталях гидроцилиндров и насосов, применяемых в геолого-разведочном и горнодобывающем оборудовании.

В настоящее время существует много традиционных и прогрессивных технологий поверхностного упрочнения, которые приводят к повышению эксплуатационных свойств деталей и в первую очередь износостойкости. Одним из методов, широко применяемым для упрочнения и восстановления поверхностей металлических деталей, является электроискровое легирование (ЭИЛ) [16][17].

Метод основан на физическом процессе электроискрового взаимодействия анода (легирующий электрод) и катода (упрочняемая поверхность). При подаче напряжения между электродами проходит искра малой длительности воздействия. Температуры поверхностей локально нагреваются и происходит перенос материала легирующего электрода на упрочняемую поверхность. Протекание этоготехнологического процесса возможно в различных газовых средах, что оказывает влияние на формирование и свойства упрочняемой поверхности (рис. 1). При этом на обрабатываемой поверхности (катоде) формируется покрытие и поверхностный слой с новыми (измененными) физико-химическими и механическими свойствами.

Покрытие на катоде имеет композиционное строение, которое условно можно разделить на отдельные слои. Структурное описание каждого слоя приведено в таблице 1 [18].

Технология ЭИЛ обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения и термообработки. Отметим эти достоинства:

• возможно упрочнение обрабатываемой поверхности в небольшой ограниченной области (локально) с использованием любых материалов, способных проводить ток;
• свойства упрочненной поверхности характеризуются достаточной для последующей эксплуатации прочностью сцепления покрытия и материала основы, при этом в процессе обработки нет нагрева всей обрабатываемой детали;
• в процессе осуществления технологии ЭИЛ происходит диффузионное обогащение поверхности детали элементами легирующего электрода без изменений размеров детали.

В связи с этим целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств электроискровых покрытий на основе анализа причинно-следственной диаграммы и регрессионного исследования технологических режимов обработки стальных деталей геолого-разведочного оборудования (на примере штоков гидроцилиндров буровых насосов).

Для установления взаимосвязей между повышением эксплуатационных свойств ЭИЛ и причинами, влияющими на эффективность указанной технологии, построена причинно-следственная диаграмма Исикавы (рис. 2).

Инструменты управления качеством активно применяют для проведения анализа по выявлению причин и следствий, которые необходимы для решения конкретной проблемы. Диаграмма «рыбий скелет» представляет собой графическое отображение взаимосвязи между результатом (проблемой) и причинами, влияющими на его качество (решение проблемы). Совместно с причинно-следственной диаграммой применяют метод мозгового штурма. Этот метод позволяет провести сортировку по наиболее важным (ключевым) категориям причин проблем.

Для построения диаграммы первоначально необходимо определить результат, который нужно достигнуть, и указать его на главной горизонтальной оси («хребте» диаграммы). В настоящей работе анализируемым потенциальным результатом является увеличение срока эксплуатации машин и оборудования за счет повышения износостойкости поверхности. Далее устанавливаются значимые категории причин, которые влияют на необходимый результат, и указываются на крупных «костях» диаграммы в прямоугольниках (рис. 2). После этого анализируется каждая из категорий, определяются факторы влияния, входящие в эти категории. Факторы наносятся на диаграмму в виде средних и мелких «костей». Эти факторы группируют между собой, стрелками показывают связи влияния нарезультат. В завершение с помощью диаграммы проводят логический анализ (оценку) и определяют наиболее значимые причины влияния на окончательный результат [6][9].

Разработанная диаграмма Исикавы предусматривает распределение всех причин, влияющих на формирование износостойких покрытий ЭИЛ, по ключевым категориям: материалы, режимы ЭИЛ, внешняя среда, методы исследования, оборудование. Все причины, которые связаны с исследуемым результатом, детализируются в рамках этих категорий:

• причины, связанные с материалами, включают в себя факторы, обусловленные состоянием и свойствами материала легирующего электрода и упрочняемой металлической поверхности. Например, это химический состав, структура материалов и т.д.;
• причины, связанные с режимами ЭИЛ, включают в себя технологические параметры технологии ЭИЛ: время воздействия (время легирования), длительность импульса искрового разряда, энергия в импульсе, которая зависит от напряжения 1 между легирующим электродом и поверхностью и разрядной емкости конденсаторов 2;
• причины, связанные с внешней средой, — это межэлектродная среда, в которой осуществляется массоперенос материала анода на катод;
• причины, связанные с методами исследования, — это традиционные методы, с помощью которых определяют микроструктуру, состав и свойства обработанной поверхности;
• причины, связанные с оборудованием, — это все факторы, определяющие состояние и возможности оборудования, применяемого для осуществления технологии ЭИЛ: генератор импульсов, механизированная установка, следящая система.

Анализ научных работ в области ЭИЛ [2—5] и причинно-следственной диаграммы Исикавы позволил установить, что основными факторами, которые влияют на качество и свойства обрабатываемых поверхностей (покрытий), являются материал легирующего электрода и технологические режимы установки ЭИЛ: емкость конденсаторов и напряжение в импульсе. Влияние материала легирующего электрода на эксплуатационные свойства поверхностей, обработанных ЭИЛ, исследовано в работе [7].

Известно, что в процессе эксплуатации стальных деталей машин и оборудования значительная их часть теряет работоспособность в результате изнашивания контактирующих поверхностей [1]. Изнашивание возникает в результате адгезионного взаимодействия, возникающего между двумя поверхностями, соприкасающимися под действием сжимающей нагрузки и повышенной температуры при трении.

Оценку износостойкости поверхностей, сформированных ЭИЛ, осуществляли на основе измерения силы адгезии. Сила адгезии возникает между поверхностью и зондом сканирующего микроскопа Solver PRO в полуконтактном режиме сканирования с использованием зондовых датчиков марки NSG10 с резонансной частотой 219 кГц и радиусом закругления острия зонда 10 нм. При этом необходимо установить, при каких технологических режимах упрочнения сила адгезии минимальна.

Для измерения силы адгезии снимали кривые подвода-отвода зонда относительно поверхности образца, отражающие зависимость изгиба консоли зонда под действием поверхностных сил при его подводе (отводе) к поверхности (от поверхности) [8]. Типичная топография обработанных методом ЭИЛ приведена на рисунке 3 в 2D- и 3D-поверхностях.

Влияние технологических режимов обработки ЭИЛ на силу адгезионного взаимодействия исследовали, используя планирование многофакторного эксперимента. В качестве функции отклика выбрана зависимость силы адгезии от режимов ЭИЛ. Факторами воздействия на исследуемый объект (силу адгезии) были приняты: X₁ — напряжение между легирующим электродом и поверхностью; Х₂ — емкость конденсаторов; Х₃ — время обработки ЭИЛ.

Экспериментальные результаты по технологическим режимам и полученным средним значениям силы адгезии представлены в таблице 2 для каждого из восьми опытов при максимальных и минимальных значениях независимых факторов. Выбор интервалов варьирования для X₁ и X₂ осуществлялся с учетом пределов регулирования параметров установки ЭИЛ.

На основе анализа экспериментальных результатов получено уравнение регрессии в следующем виде:

Для исследуемого параметра Y получено уравнение регрессии следующего вида:

Y = 74,79 + 17,21X₁ – 27,29X₂ + 12,29X₃ –
– 0,71X₁X₂ + 14,71X₁X₃ + 0,21X₂X₃ + 6,79X₁X₂X₃.

Проверку значимости коэффициентов регрессии осуществляли по критерию Стьюдента. Эта проверка показала, что коэффициенты b₁₂, b₂₃, b₁₂₃ являются незначимыми. Поэтому уравнение регрессии для параметра сила адгезии Y окончательно приняло следующий вид:

Y = 74,79 + 17,21X₁ – 27,29X₂ + 12,29X₃ + 14,71X₁X₃.

Чтобы визуализировать взаимосвязь технологических параметров ЭИЛ с силой адгезии, построены поверхности отклика (рис. 4).

На основании анализа полученных результатов были сформулированы выводы о влиянии технологических режимов ЭИЛ (напряжение, емкость, время обработки) на силу адгезионного взаимодействия между поверхностями: 1) характер зависимости силы адгезии от напряжения в искровом импульсе и времени обработки — линейный и прямо пропорциональный; 2) характер зависимости силы адгезии от емкости конденсаторов — линейный и обратно пропорциональный; 3) наряду с указанными линейными эффектами выявлено влияние взаимодействия напряжения и времени обработки, что является значимым при определенных комбинациях технологических режимов ЭИЛ; 4) характер зависимости силы адгезии от напряжения и времени обработки — линейный, прямо пропорциональный.

С учетом результатов регрессионного анализа и построения поверхностей отклика выполнена обработка ЭИЛ образцов на режимах U = 80 В; С = 120 мкФ; t = 2 мин в различных газовых средах и проведены трибологические испытания на стандартной машине трения 2070-СМТ-1. Результаты влияния энергии в импульсе (E, Дж) и газовой технологической среде на скорость изнашивания покрытий (J, мм/мин) представлены на рисунке 5.

Таким образом установлено, что наибольший эффект по увеличению износостойкости сформированных покрытий получен при электроискровом легировании в кислородсодержащей среде на технологических режимах: U = 80 В; С = 120 мкФ; t = 2 мин электродом состава 50% WC-Co и 50% Ni-Cr-B-Si. В данных условиях реализации технологии ЭИЛ скорость изнашивания покрытия, сформированного на стальных поверхностях, минимальна.