Назад в библиотеку

Способы повышения качества поверхностного слоя деталей машин

Авторы: А.К. Гаврилов, К.А. Парц, А.А. Жирова, Я.А. Шакуров, Е.А. Зверев

Источник: Международный научный журнал Символ науки №11/2015

Аннотация

В статье представлены наиболее рациональные способы поверхностного упрочнения деталей машин. Показано, что комплексирование технологических методов упрочнения детали, таких как плазменная и высокочастотная термическая обработка, позволяет существенно улучшить качество поверхностного слоя изделия.

Ключевые слова

Плазменная обработка, индукционный нагрев, высокочастотная термическая обработка, гибридные технологии.

Метод плазменного нанесения износостойких покрытий – один из способов поверхностного упрочнения деталей машин, широко применяемых в машиностроении []. Однако, при технологических достоинствах существует вероятность отказов в процессе эксплуатации. Невысокая адгезионная прочность (прочность сцепления покрытия с основой) и наличие пористости в структуре покрытия после плазменного напыления – основная причина нарушения работоспособности деталей, работающих в условиях тяжелых режимов [2].

Из результатов технико-экономического анализа [3] другие методы нанесения покрытий такие как: индукционные, электродуговые, лазерные, газопламенные, электронно-лучевые, плазменные, детонационные в современности исчерпали свои потенциальные возможности для существенного увеличения качественных показателей. Более эффективными являются так называемые комбинированные и гибридные технологии. Они уменьшают недостатки, которые присутствуют в стандартных методах нанесения покрытий и заметно улучшают показатели качества покрытий, которые существенно влияют на работоспособность деталей [4, 6].

Сущность гибридного метода в одновременном воздействии нескольких источников энергии по принципу совмещения различных источников энергии во времени и пространстве. К достоинству данной технологии относится синергетический эффект введения энергии от различных источников в обрабатываемую зону. Метод технологически сложный и с практической точки зрения лучше использовать комбинированные технологии [7, 8].

Суть комбинированного метода в последовательной подаче энергии различных источников по принципу пространственного совмещения различных источников энергии. То есть происходит повторное высокоэнергетическое воздействие на поверхность покрытий. В результате улучшение качественных показателей: уменьшение пористости, увеличение адгезионной прочности, повышение уровня твердости, ликвидация нерасплавленных частиц порошка в структуре покрытий и формирование мелкодисперсной структуры.

Так как выбрать и обосновать наиболее рациональный процесс достаточно сложно из-за многообразия методов, необходимо провести анализ технологических возможностей методов, которые можно использовать при комбинированной обработке покрытий.

К характерным особенностям электродуговой обработки относятся формирование мелкодисперсной структуры покрытия и высокая скорость нагрева при обеспечении локального нагрева электрической дугой с удельной мощностью порядка 109…1010 Вт/м2 . Из недостатков стоит выделить вероятность смешивания материала покрытия и материала основы.

При использовании электронно-лучевой обработки по сравнению с электродуговой возможен нагрев поверхности детали практически из любых материалов и значительно большей площади. Плотность теплового потока пучка до 1011…1012 Вт/м2 . Недостаток электронно-лучевой обработки – применение дорогостоящего оборудования при обработке фасонных поверхностей, так же необходимо обеспечить защиту оператора от влияния излучения [9, 10].

Лазерная обработка делает возможным упрочнять покрытия практически из любых материалов. Плотность теплового потока пучка до 1016 Вт/м2 . Недостаток – высокая стоимость оборудования, высокие энергозатраты и низкий КПД (не выше 15 %).

При плазменной обработке удельная мощность до 109 Вт/м2. При оплавлении используется плазматрон, гарантирующий слоистый режим истечения струи плазмы. Недостатки – много учитывающихся факторов при реализации технологии.

Во время применения высокочастотной термической обработки (индукционного нагрева) – плотность теплового потока 1011…1014 Вт/м2 . Данным способом можно обрабатывать поверхности сложной формы при высокой производительности процесса. Минусы – сложность обработки покрытий из тугоплавких соединений на немагнитных сплавах и малая номенклатура деталей, нагреваемых индуктором одного типоразмера.

В итоге, сравнивая методы по параметру практическое использование, можно выделить два метода: плазменную и высокочастотную термическую обработку. Однако высокочастотная термическая обработка более предпочтительна из-за возможности обработки, как всей детали, так и ее отдельных поверхностей. Современные индукционные установки имеют наибольший КПД (до 95 %), маленькой массой и габаритами, регулировать глубину температурного воздействия, и дает высокую скорость нагрева. Кроме того, метод обеспечивает отсутствие загрязнения заготовки продуктами горения факела.

Список использованной литературы:

  1. Скиба В.Ю. Актуальные проблемы в машиностроении: сборник материалов первой международной научно-практической конференции // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов Наука и образование. 2014. – № 11 (66). – С. 83.
  2. Skeeba V., Pushnin V., Kornev D. Quality improvement of wear-resistant coatings in plasma spraying integrated with high-energy heating by high frequency currents // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 788. – P. 88-94.
  3. Структура износостойких плазменных покрытий после высокоэнергетического воздействия ТВЧ / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, В.В. Иванцивский, В.Ю. Скиба, Н.В. Плотникова, Д.В. Лобанов // Обработка металлов(технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 4 (65). – С. 11-18.
  4. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Повышение поверхностной микротвердости стали при интеграции поверхностно-термической и финишной механической обработок // Научный вестник НГТУ. – 2006. – № 3(24). – С. 187-192.
  5. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Эффективность объединения операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2010. – № 4 (49). – С. 15–21.
  6. Прогнозирование технических характеристик интегрального технологического оборудования / В.Н. Пушнин, Д.Ю. Корнев, Н.В. Вахрушев, В.Ю. Скиба // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. – 2014. – Т. 2. – С. 97-1
  7. Станочное оборудование, основанное на комплексировании нескольких технологических операций / В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д. Ю. Корнев, В.Ю. Скиба // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2014. – № 1. – С. 245–255.
  8. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 12. – P. 1408–1411. – doi: 10.1080/10426914.2014.973595.
  9. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Степанова Н.П. Назначение режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников нагрева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2005. – № 3 (28). – С. 22–24
  10. Разработка технологической установки для плазменно-механической обработки / П.В. Трегубчак, Д.Ю. Корнев, В.Н. Пушнин, В.Ю. Скиба // Механики XXI веку. – 2015. – № 14. – С. 135-141