Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

261

водят графитирование наружной поверхности поршней, за исключением

кольцевых канавок. Толщина слоя графита (0,03…0,08) мм. Пленка про-

сушенного графитового покрытия не должна терять прочность, размяг-

чаться или отслаиваться.

7.16 Наплавка и напыление поверхностей

Наплавка применяется как для упрочнения поверхностей изготавли-

ваемых деталей, так и для восстановления и увеличения срока службы

изношенных деталей машин. При наплавке происходит сплавление нане-

сенного слоя с основным металлом, что обеспечивает их хорошее сцепле-

ние. Наплавлять можно слои любой толщины, производительность про-

цесса высокая. Существует несколько видов наплавки.

Газовая наплавка используется для упрочнения деталей, изготов-

ленных из сталей 35, 40 и 45, а также из низко- и среднелегированных

сталей. Наиболее широко применяют газовую наплавку твердыми спла-

вами типа сормайт инструмента и деталей, рабочие поверхности которых

должны иметь большую твердость и высокую износостойкость (детали

дорожных, строительные, сельскохозяйственных машин и др.). Толщина

наплавленного слоя в зависимости от условий работы деталей

(0,25…5,0) мм.

Электродуговая наплавка используется при восстановлении изно-

шенных деталей. Она производится электродами различных марок в сре-

дах защитных газов, под слоем флюса другими методами, позволяющими

получать высокое качество наплавленного слоя. Электродуговая наплавка

бывает ручная, полуавтоматическая и автоматическая.

Кроме газовой и электродуговой наплавки применяют и другие спо-

собы наплавки – электрошлаковую, вибродуговую и др. Износостойкие

покрытия наносят также газовой, электрической плазменной металлиза-

цией. Особенно перспективна получившая развитие в последние годы

плазменная металлизация.

Толщина наплавляемого слоя зависит от условий работы пары трения

и определяется: для трения скольжения – припуском на износ; для трении

качения (со скольжением) – отсутствием напряжений между сердцевиной

и упрочненным слоем; для переменных температур – минимумом темпе-

ратурных колебаний на границе сердцевины и слоя. В иных случаях тол-

щина задается по конструктивным соображениям. Наряду с заметными

преимуществами наплавка имеет и недостатки, которые в основном сво-

дятся к недостаточной прочности сцепления слоя с основой, возможности

образовании дефектов металлургического характера (шлаковых включе-

262

ний, непроваров, трещин). Поэтому назначать наплавку для поверхностей

высокой контактной нагруженности нужно весьма осторожно.

Высокой износостойкостью в условиях циклической термической на-

грузки и интенсивного абразивного изнашивания отличаются наплавлен-

ные под флюсом спеченные в виде электронной ленты материалы слож-

ного состава: ЛС-5Х4В2М2ФС, ЛС-70ХЗМН. Внедрена наплавка методом

«намораживания» клапанов двигателей. Новый способ основан на совме-

щении во времени индукционного нагрева и плавления присадочного ма-

териала с последующим интенсивным водяным охлаждением клапанов

двигателей. Создание присадочных колец из никелехромовых сплавов в

(5…7) раз удешевило наплавку и дало возможность отказаться от дефи-

цитных кобальтовых стелитов. Долговечность наплавленных клапанов

увеличилась в (2…7) раз производительность в 13 раз, а количество брака

уменьшилось в (7…10) раз.

Биметаллические поверхности (изделия) литьем получают методом

заливки жидкого металла на твердую основу. Метод обеспечивает надеж-

ную свариваемость соединяемых частей отливки; высокую твердость и

износостойкость рабочих поверхностей при прочной и вязкой сердцевине;

восстанавливаемость жидким металлом изношенных поверхностей взамен

процессов электродуговой и электрошлаковой наплавок. Метод исключа-

ет энергоемкие металлургические процессы производства наплавочных

материалов – проволоки, порошковой ленты, литых электродов. Процесс

позволяет увеличить производительность восстановления деталей в

(5…10) раз и позволяет восстанавливать геометрию рабочих поверхно-

стей в пределах допусков на литые изделия. Ресурс биметаллических ли-

тых изделий повышается в (2…3,5) раза.

Напыление. Высокими триботехнологическими возможностями об-

ладает металлизация напылением, заключающаяся в расплавлении подво-

димого к металлизатору металла и распылении его струей сжатого газа

(воздуха) в направлении заранее подготовленной поверхности детали.

Напыляют различные металлы и порошки (твердые сплавы). В зависимо-

сти от источника тепла различают газовое, электрическое и плазменное

напыление. Напыленный слой благодаря своей пористости обладает вы-

сокими антифрикционными свойствами при хорошей смазке и скорости

скольжения не выше 3,5 м/с. Покрытия неспособны работать при сухом

трении и снижают предел выносливости. Напылению подвергают поверх-

ности опор скольжения, валов (в обратных парах трения), направляющих.

Одним из перспективных методов упрочнения поверхностей трения

является метод электроискрового легирования, позволяющий получать

достаточно прочно связанные с упрочняемой поверхностью и значитель-

ные по толщине износостойкие покрытия с удельным временем легирова-

ния 3 мин/см

. Шероховатость полученных слоев не хуже Ra = 2,5 мкм,

263

толщина упрочненного слоя (50…60) мкм, сплошность (80…90)%, микро-

твердость (10000…12000) МН/м

. Стойкость упрочненных вырубных

штампов увеличилась в (1,5…2,0) раза по сравнению со стойкостью

штампов, упрочненных стандартным твердым сплавом Т30К4.

По технологическим возможностям зарекомендовал себя метод плаз-

менного напыления. При этом способе расплавление и распыление туго-

плавких материалов (окись алюминия, вольфрам, ниобий, молибден, кар-

биды, бориды и т. д.) осуществляется с помощью высокотемпературной

плазменной струи. В соответствии со свойствами покрытий обеспечива-

ются требуемая жаропрочность, сопротивление окислению, износостой-

кость при высоких температурах и в различных средах. Плазменное на-

пыление имеет ряд преимуществ: высокие температуры позволяют рас-

пыливать и наносить различные материалы высокой температуры плавле-

ния; поток плазмы, не содержащий кислорода, не допускает окисления

обрабатываемой поверхности и покрытия; возможно нанесение много-

слойных покрытий; высокая скорость потока газа позволяет увеличить

плотность покрытия до 90 % и достичь прочного сцепления с основой; в

связи с нагревом поверхности заготовки не выше 200 С исключается ко-

робление деталей; энергетические характеристики потока плазмы легко

регулируются в зависимости от требований ТП. Наиболее часто плазмен-

ное напыление используют для нанесения тугоплавких соединений или

противостоящих высокотемпературной коррозии (например, на поверхно-

сти лопаток газовых турбин).

7.17 Электроискровое упрочнение поверхностей

Электроискровому упрочнению поддаются все черные металлы. Ме-

ханизм процесса отличается значительной сложностью, представляя со-

бой совокупность эрозионного, термического и термохимического про-

цессов и контактного переноса материала.

Для упрочняющих электродов применяют твердые сплавы, составляю-

щими которых являются карбиды титана и вольфрама и кобальт, ферро-

хром, хром-марганец, хром, алюминий, белый чугун, сталь Ст. 3 и графит.

Различают три режима: мягкий, средний и грубый (жесткий). Ужесто-

чение режимов повышает производительность, но понижает твердость и

чистоту поверхности. Переход от мягкого режима к жесткому может по-

низить твердость поверхностного слоя на 20%; тем не менее она остается

более НRС 50.

Верхний белый слой упрочненной поверхности состоит из аустенита

и мартенсита, нитридов железа и карбидов легирующих элементов. Белый

слой образуется и в том случае, если электрод изготовлен из алюминия

264

или меди. Подслои представляет собой структуру типа мартенсита и троо-

стита, а иногда и сорбита.

Упрочнение деталей, не оказывая влияния на ударную вязкость, сни-

жает сопротивление усталости в связи со значительными остаточными

напряжениями растяжения в упрочненном слое и увеличением шерохова-

тости поверхности. Имеется положительный опыт упрочнения режущего

и штампового инструмента, в промышленных масштабах.

Слой толщиной около 0,1 мм на деталях да конструкционной углеро-

дистой стали или чугуна недостаточно прочен. Для повышения прочности

предложен комбинированный искродуговой метод, названный термоис-

кровым. Сущность метода состоит в том, что нанесенный электроискро-

вым способом с помощью твердосплавного электрода слой подвергается

кратковременному воздействию электрической дуги, получаемой на той

же установке при отключенной электрической емкости. При второй опе-

рации под белым слоем образуется слой толщиной (1,5…2) мм и твердо-

стью, снижающейся от НV 1000 до НV 500. Шероховатость поверхности

после комбинированного упрочнения примерно такая же, как после обыч-

ной наплавки. Метод применяют для упрочнения работающих в абразив-

ной среде деталей прессов при изготовлении кирпича, деталей шнеков

цементных заводов, машин керамического производства и т.д.

Электроискровому упрочнению подвергают рабочие детали дорож-

ных, строительных и землеройных машин, работающих в абразивной сре-

де; лопатки дробеструйных аппаратов; детали механизмов литейных це-

хов. Электроискровое упрочнение получило также применение для вос-

становления и упрочнения посадочных мест в неподвижных сопряжениях

и скользящих посадках.

Электроискровое упрочнение не требует предварительного нагрева

деталей и последующей их термообработки; не вызывает коробления. Уп-

рочненный слой имеет высокую износостойкость, а при достаточной глу-

бине и соответствующем подборе электродов – высокую жаростойкость.

Наклеп позволяет исключить неблагоприятное влияние электроискрового

упрочнения на сопротивление усталости.

7.18 Электромеханическая обработка (ЭМО)

Сущность ЭМО заключается в том, что на обрабатываемую деформи-

рующим инструментом поверхность одновременно воздействует давление

инструмента и тепло, возникающее в результате прохождения тока между

инструментом и деталью. Это вызывает упрочнение как за счет повыше-

ния физико-механических свойств поверхностного слоя, так и улучшения

параметров микрорельефа самой поверхности. При этом инструментом

265

может служить неподвижно закрепленная пластина с тороидальной рабо-

чей поверхностью или вращающийся ролик. Наиболее распространен

способ электромеханического упрочнения вращающимися роликами, так

как их стойкость намного выше, чем плоских пластин. Деформирующий

ролик обычно изготовляется из быстрорежущей стали Р6М6 твердостью

HRC 62…64 и шероховатостью Ra = (0,1…0,4) мкм.

ЭМО цилиндрических деталей осуществляется на токарных станках,

силовой установкой при этом является сварочный трансформатор пере-

менного тока ТСД-1000, который позволяет плавно изменять силу тока I

от 0 до 800 А при рабочем напряжении (1,5…2) В. При этом сила тока и

вторичное напряжение регулируется в зависимости от площади контакта,

исходной шероховатости и требований к качеству поверхностного слоя.

Обрабатываемая деталь вращается с окружной скоростью V, м/с, а инст-

румент совершает поступательное движение вдоль обрабатываемой дета-

ли (S – подача ролика, мм/об; i – число ходов). Давление сглаживания Р, Н

настраивается маховичком поперечного суппорта станка.

Тепловыделение при ЭМО происходит вследствие трения инструмен-

та об обрабатываемую деталь, прохождения через нее электрического то-

ка и деформации металла в поверхностном слое. В результате такого ком-

бинированного воздействия структура в поверхностном слое представляет

собой измельченный мартенсит. За счет выделения карбидной фазы по-

верхностный слой на глубине (0,2…0,25) мм несколько обезуглерожива-

ется. Количество карбидных включений и их дисперсность с увеличением

усилий обкатки возрастает, а максимальная величина степени наклепа при

этом не превышает (15…16)%. Прочность поверхностного слоя повыша-

ется за счет увеличения плотности дислокаций и более равномерного их

распределения, увеличения протяженности границ субзерен, создания

дислокационных барьеров, образования вторичных фаз, что уменьшает

размеры мартенситных игл в закаленной структуре.

7.19 Термомеханическая обработка (ТМО)

Термомеханическая обработка обеспечивает значительное повышение

механических свойств стальных деталей в результате воздействия на них

пластической деформации при температурах существования аустенита с

последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. При этом уве-

личивается прочность и сохраняется достаточно высокая пластичность.

Для практики важно и то, что упрочнение в ходе ТМО может быть со-

вмещено с формоизменением заготовок.

Существует несколько вариантов объемной или только поверхност-

ной ТМО. При низкотемпературной ТМО деформация происходит в об-

266

ласти переохлажденного аустенита. Низкотемпературная ТМО состоит из

деформации, закалки и низкотемпературного отпуска, в результате чего

устраняется повышенная хрупкость. Чаще всего этот способ используется

для упрочнения деталей из легированных сталей, которые обладают по-

вышенной устойчивостью переохлажденного аустенита. Так как при этом

степень деформации достигает (50…90)%, а рекристаллизация не проис-

ходит, то имеет место большее упрочнение, чем при высокотемператур-

ной термомеханической обработке, однако пластичность несколько ниже.

Наиболее перспективной является высокотемпературная термомеха-

ническая обработка (ВТМО). Она выполняется при нагреве металла заго-

товки до температуры существования аустенита, после чего выполняется

ее пластическая деформация и немедленная закалка с тем, чтобы не рек-

ристаллизовался деформированный аустенит. После этого производится

низкотемпературный отпуск ВТМО, заключающийся в гомогенизации

твердого раствора при температуре 1200 С и пластическом деформирова-

нии на (25…30)% после предварительного охлаждения до

(1100…1000) С. Это позволяет значительно увеличить прочность деталей

даже при температурах до 900 С.

Упрочняющее воздействие ВТМО объясняется улучшением структу-

ры и физико-механических характеристик металла, образованием тексту-

ры дислокаций. Степень упрочнения зависит как от способа и режима

самой ВТМО, так и от рационального ее сочетания с ППД или химико-

термическими упрочняющими операциями. Так, при обычной закалке на

поверхности образцов возникают растягивающие напряжения, величина

которых зависит от химического состава стали, например, у образцов из

статей 60С2А, 40Х и 45, они составляют соответственно до 500; 80 и

100 МПа. Объемная закалка с нагревом ТВЧ при охлаждении водой соз-

дает еще более высокий уровень осевых остаточных растягивающих на-

пряжений на поверхности образцов (700…750 МПа).

Проведение ВТМО значительно изменяет характер остаточных на-

пряжений. При этом и величина и знак остаточных напряжений зависят от

степени обжатия предшествующего закалке. Характер зависимостей в

основном одинаков для всех исследованных сталей. ВТМО почти во всех

случаях приводит к изменению знака остаточных напряжений на поверх-

ности. Это относится как к осевым, так и к тангенциальным остаточным

напряжениям.

7.20 Упрочнение поверхностей лучом лазера

При воздействии лазерного луча на металлическую поверхность она

быстро нагревается до высокой температуры и при прекращении облуче-

267

ния сразу же охлаждается. Получается своеобразная закалка поверхности.

Такую закалку лазерным лучом можно использовать для обработки сталь-

ных и чугунных деталей с целью повышения их износостойкости.

Лазерное упрочнение поверхностей позволяет выборочно изменять

свойства различных участков деталей машин и инструментов, в результа-

те чего можно получать более прочные износо- и коррозионностойкие

поверхности. Оно имеет ряд особенностей, выгодно отличающихся от

других методов и способов упрочнения: локальность процесса упрочне-

ния, возможность обработки труднодоступных мест, получения заданной

шероховатости поверхности, возможность получения на поверхности де-

тали слоя с заданными свойствами; возможность автоматизации процесса

и др. Кроме того, этим способом можно не только упрочнять поверхност-

ный слой обрабатываемых деталей. Использование лазерных установок

модели «Квант-16» для упрочнения отсечных кромок плунжеров топлив-

ных насосов, обкатных роликов и кулачков распределительных валов дви-

гателей внутреннего сгорания позволяет значительно увеличить износо-

стойкость и продлить их долговечность.

Лазерному упрочнению подвергаются многие детали, испытывающие

значительные контактные нагрузки. После такого упрочнения значитель-

но повышаются контактная износостойкость и прочность кромок клапан-

ных тарелок, рабочих поверхностей напорных золотников топливной ап-

паратуры, головки штоков и седел выхлопных клапанов, рабочих поверх-

ностей измерительного инструмента и др. Обработка рабочей поверхно-

сти золотника конусного уплотнения трубопроводной арматуры высокого

давления на лазерной установке СЛС 10-1 позволила получить упрочнен-

ные зоны по контактной окружности золотника. Упрочненная зона пред-

ставляет собой совокупность пятен фокусирования лазерного луча с ша-

гом 0,75 и шириной 0,6 мм. Такое упрочнение приводит к росту стойкости

клапанного соединения более чем в 3 раза.

Большой эффект от использования этого способа достигается при уп-

рочнении пуансонов и матриц штампов, стойкость которых зависит от

твердости и состояния поверхности их рабочих элементов. Лазерное уп-

рочнение этих элементов осуществляется после их окончательной меха-

нической обработки, причем плотность мощности лазерного излучения не

должна превышать критического значения, когда наблюдается оплавление

поверхностного слоя обрабатываемого материала.

Лазерное упрочнение с высокой эффективностью используется для

обработки шеек и галтелей коленчатых валов, боковых сторон кольцевых

выточек поршней двигателей внутреннего сгорания, зубьев и торцевых

поверхностей косозубых зубчатых колес и др. Лазерное упрочнение по-

зволяет получить стабильно однородный упрочненный слой, что практи-

чески недостижимо при других методах обработки. При этом глубина

268

упрочнения зависящая от материала и режимов обработки, достигает

(1…2) мм. Лазерному упрочнению можно подвергать, чугунные направ-

ляющие станин станков. Такое упрочнение позволяет довести их твер-

дость до НRС 60.

В ряде случаев при лазерном упрочнении деталей на их поверхность

наносят легирующие элементы. При этом необходимо, чтобы температура

на поверхности немного превышала температуру плавления легирующего

элемента. В процессе оплавления металла происходит его интенсивное

перемешивание с легирующими элементами, размещенными на обраба-

тываемой поверхности. Глубина легирования определяется мощностью

луча, его диаметром и скоростью сканирования. При легировании, напри-

мер, углеродистой стали кобальтом глубина слоя достигает 1,2 мм, при

этом износостойкость деталей увеличивается в (3…4) раза.

Для повышения эффективности лазерной обработки применяется чер-

нение обрабатываемых поверхностей, например, химическое травление

для увеличения поглощательной способности металла, что позволяет про-

водить процесс при меньшей энергии излучения. Снижение энергии ла-

зерных импульсов увеличивает частоту их следования, а значит и произ-

водительность обработки. Для повышения стабильности параметров уп-

рочнения, снижения вероятности обезуглероживания поверхностного

слоя и улучшения внешнего вида деталей лазерную обработку рекоменду-

ется вести в среде аргона.

Перспективным является сочетание лазерной обработки с ППД. При

этом повышаются физико-механические параметры и улучшается микро-

рельеф поверхности.

269

8 ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МАШИН И

ПУТИ ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

8.1 Требования к очистке изделий в связи с износостойкостью

Для очистки деталей перед их сборкой от консервирующего смазоч-

ного материала или от загрязнений, оставшихся на поверхности при изго-

товлении, производят промывку деталей и обдувку их сжатым воздухом.

Организация и методы очистки определяются масштабом производства,

габаритами и конструкцией деталей.

Особое внимание при очистке следует уделять каналам смазочной

системы и маслопроводам, откуда осевшие на их стенки во время изго-

товления, хранения и транспортирования песок и другие загрязнения мо-

гут попасть в поток масла в процессе эксплуатации.

Все трубы, фитинги и клапаны перед поступлением на сборку необ-

ходимо тщательно очищать. Рекомендуется следующая технология очист-

ки труб большого диаметра: дробеструйная очистка труб изнутри и про-

дувка сжатым воздухом; погружение и выдержка в течение 1 ч в горячем

масле с температурой на (15…20) С выше наибольшей эксплуатационной

температуры масла в системе; обстукивание трубы по длине; быстрый

перенос в ванну с холодным маслом. После двукратного повторения про-

цедуры и выемки трубы из последней ванны дают маслу стечь и через

трубу протягивают тампон из неворсистой ткани. После проверки чисто-

ты внутренней полости открытые отверстия трубы закрывают. Аналогич-

но подвергают очистке соединительные элементы и клапаны. В случае

необходимости после дробеструйной очистки производят дополнитель-

ную зачистку абразивным камнем. Вместо закрытия отверстий деталей

хранение и доставку их можно осуществлять в завязанных пакетах из

плотной бумаги.

Удаление заусенцев важно для повышения надежности работы пар

трения. Для этой цели наиболее эффективна и экономична гидроабразив-

ная очистка деталей, для которой отверстия малого диаметра с образо-

вавшимися заусенцами в глубине не служат препятствием.

Промытые от консервирующего смазочного материала прецизионные

детали и комплекты, подготовленные к сборке, но не идущие сразу на

комплектование, помещают в закрытые ящики с рабочей жидкостью для

предохранения от попадания пыли и других посторонних частиц на по-

верхности деталей и в их внутренние полости.

Наиболее ответственные агрегаты следует собирать в закрытых по-

мещениях, вдали от дорог, дымовых труб и других источников пыли.

270

Предусматриваются также меры по созданию избыточного давления в

помещениях.

Собранные агрегаты и отдельные узлы машин при изготовлении или

ремонте промываются – прокачиваются на специальных установках или

стендах теми жидкостями, на которых они работают. Давление и темпера-

тура промывочных жидкостей должны соответствовать рабочим давлени-

ям и температурам. Продолжительность промывки агрегатов и узлов в

зависимости от их конструкции составляет от 3 до 15 мин. Для контроля

качества промывки устанавливают контрольные фильтры. При обнаруже-

нии на фильтрах металлических блесток или других механических частиц

фильтры очищаются и агрегат промывается вновь. После промывки-

прокачки наружную поверхность агрегатов промывают от рабочей жид-

кости, а наружные отверстия закупоривают.

Промывку-прокачку смазочной, гидравлической, топливной и других

систем производят после окончательной сборки машины. Систему за-

правляют рабочей жидкостью, устанавливают контрольные фильтры и

производят апробирование системы – проверяют ее герметичность и ра-

бочие параметры. В системах ответственных механизмов с прецизионны-

ми парами, как и при промывке агрегатов, наличие на фильтрах металли-

ческих и других частиц недопустимо.

В сложных машинах промывку систем производят по частям. При

этом отдельные участки системы закольцовывают специальным промы-

вочным агрегатом. Параллельно работающие в системе трубопроводы не

рекомендуется промывать одновременно, так как может быть не обеспе-

чено одинаковое качество их промывки. Одновременная промывка трубо-

проводов и баков не рекомендуется, так как механические частицы, вы-

мытые из трубопроводов, могут задерживаться между перегородками ба-

ка. Скорость движения жидкости при промывке обычно принимают в

(1,5…2) раза больше рабочих скоростей.

В эксплуатации перед заменой масла необходимо промыть систему от

остатков грязи, осевших на стенках картеров, масляных баков, отстойни-

ков, на фильтрах, в трубопроводах, каналах системы и на трущихся дета-

лях. Помимо абразивного действия на трущиеся детали грязь, не удален-

ная из смазочной системы, способствует окислению свежего масла.

Слив отработанного масла производится одновременно из картеров,

баков, фильтров, маслоохладителей и т.п. Для быстрого стока масла,

обеспечения слива из каналов системы и лучшего удаления механических

примесей (что возможно, когда они находятся во взвешенном состоянии)

эти операции следует производить сразу после остановки машины. Слив

производится самотеком или же масло выкачивается насосами.