Авторы: В.Д. Екимова, И.Н. Стародубцев, А.Н. Головачёв
Источник: «МОЛОДАЯ НАУКА XXI ВЕКА»: сборник научных работ всеукраинской студенческой научно-технической конференции с международным участием 2012
В работе выполнен литературный обзор видов износа и путей его выявления. Проанализированы исследования в области влияния качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей, возможности методов финишной обработки и термической обработки в обеспечении эксплуатационных свойств изделия машиностроения. Предложены рекомендации по повышению качества технологических систем на основе выполненного анализа.
Повышение износостойкости деталей машин осуществляется различными технологическими методами, но они бывают слишком продолжительными, энергоемкими, а также затрачивается масса рабочей силы. Применение композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ в сочетании с вибрацией позволяет управлять физико- механическими свойствами контактирующих поверхностей, а также повышать производительность труда, снижать энергозатраты и улучшать качество продукции, делая её более конкурентоспособной на мировом рынке, что является актуальностью работы.
Изнашивание деталей, выполняющих различные функции, происходит неравномерно. Серьезные изменения происходят вследствие изнашивания силовой установки: резко уменьшается мощность двигателя, повышается расход топлива и смазочных материалов, увеличиваются потери на трение в механизмах силовой передачи [1].
Износ условно можно разделить на две основные группы: адгезионный и диффузионный износ. Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникающей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла [2].
Диффузионный износ происходит вследствие того, что при высоких температурах частицы инструментального материала проникают в стружку и обрабатываемую деталь. Это приводит к изменению химического состава и физико-механических свойств в поверхностных слоях инструмента и снижает его износостойкость.
Для обнаружения данных видов износа существуют эффективные методы определения нарушений сплошности в поверхностных слоях деталей (магнитная дефектоскопия); поиск нарушений путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего их анализа (ультразвуковая дефектоскопия) и другие методы [3].
В зависимости от вида износа применяют различные методы упрочнения и восстановления деталей. Изношенные детали восстанавливают различными электролитическими способами. В производстве получили распространение хромирование, ожелезнение, никелирование, меднение и цинкование. Данные методы обладают высокой производительностью, не требуют больших материальных затрат (используются дешевые
электролиты), позволяют бороться с различными видами износа (коррозионно-механическим, механическим и др.)
Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении. Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств [4].
Смазывание предназначено для снижения потерь мощности и сокращения скорости изнашивания соприкасающихся деталей. Помимо этого, устраняется заедание, поверхность деталей защищается от коррозии, повышается компрессия и создается определенная амортизация при ударных нагрузках за счет выдавливания смазочного материала из зазоров между деталями.
PVD-процесс применяют для создания на поверхности деталей, инструментов и оборудования функциональных покрытий — износостойких, коррозионностойких, эрозионностойких, антифрикционных, антизадирных, барьерных и т. д. С помощью PVD-процесса получают покрытия толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.
Для повышения прочностных свойств детали используют легирование. К наиболее часто применяемым легирующим элементам относятся марганец, кремний, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др. Основной эффект от легирования достигается в том случае, когда происходит изменение типа кристаллической решетки железа.
Лазерная наплавка порошковых материалов обеспечивает получение наплавленного слоя высокой степени однородности и качества без значительного термического влияния на нижележащие слои металла. Применяют порошки хрома, бора, никеля, кремния. После последующей шлифовки толщина наплавки может достигать 0,2-0,4 мм, повышается износостойкость наплавленного слоя в 2-3 раза.
Электронно-лучевая обработка поверхности производится мощным электронным пучком в вакуумной среде и имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной обработкой:
более высокий КПД, высокая мощность и меньшая стоимость. Износ уменьшается в 2-4 раза.
Методы детонационного и плазменного нанесения покрытия – газотермические методы, основанные на полном или частичном нагреве материала покрытия до состояния плавления и распылении его газовой струей. Особенность этих методов упрочнения – возможность наносить тугоплавкие материалы на металлическую подложку без значительного ее нагрева (не более 150 o С) [5].
Упрочнение поверхностных слоев методом диффузионного молекулярного армирования относится к нанотехнологическим методам.
Наблюдаемый эффект повышения прочности поверхностного слоя объясняется «армированием» материала поверхностного слоя цепочками атомов радикалов, прочность связей в которых до 5 раз превышает металлическую, а также барьерным действием внедренных радикалов на процесс образования и скольжения дислокаций, что препятствует накоплению дефектов и замедляет развитие усталости и разрушение материала.
Для получения наноструктурных покрытий используются:
катоды с легирующими добавками;
вращение подложки для получения многослойных покрытий с толщиной слоев менее 100 нм;
электрическое смещение подложки для ионной бомбардировки растущей пленки и нагрев подложки до относительно высокой температуры [6].
ВЫВОДЫ
Износ пагубно влияет на процесс и результат работы машины и приводит к многочисленным поломкам. Изнашивание возникает под воздействием трения, нагрузок, условий работы и окружающей среды. Для каждого вида износа применяются определенные технологические методы борьбы с ним. Также мы можем продлевать службу механизмов путем термической обработки, методом гальванического покрытия, использованием смазочных материалов, применением PVD-процесса, легирования, методами лазерного, электронно-лучевого, плазменного и детонационного упрочнения, а также применяя нанотехнологии.
ЛИТЕРАТУРА
Некрасов С.С. Обработка материалов резанием: Учебник. / С.С. Некрасов. - М.: Агропромиздат, 1996. – 325 с.
Приборостроение и средства автоматизации контроля. / под ред. С. И. Фрейберга, М.: ВИНИТИ, 1961. – 250 с.
Дефектоскопия металлов / под ред. Д. С. Шрайбера, М.: Машиностроение, 1959 - 185 с.
Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. / И. И. Новиков, М.: Металлургия ,1978. - 420 с.
Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. / О.Ю. Елагина, М: Логос, 2009. - 488 с.