Биография Литература Ссылки по теме Библиотека Индивидуальное задание
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Основные эксплуатационные свойства деталей машин – износостойкость, прочность, коррозионная устойчивость в значительной мере определяются состоянием их поверхностного слоя, определяемого технологией изготовления. В современном производстве назначение и технологическое обеспечение параметров состояния поверхностей деталей недостаточно обосновано, что приводит либо к завышению требований и удорожанию машин, либо к их занижению и снижению надежности.
Существует достаточно большое количество различных технологических методов повышения качества поверхностей деталей. Наиболее распространенными из них являются, гальванические и химические методы нанесения покрытий, наплавка, напыление, ионная имплантация, лазерная обработка. Обеспечивая повышение эксплуатационных свойств, а так же, улучшая декоративный вид изделий, эти методы в то же время являются экологически небезопасными, загрязняющими окружающую среду и представляющими сложность в утилизации отходов.
Методы повышения качества деталей машин
Большие возможности в технологическом управлении качеством поверхности деталей машин имеют такие прогрессивные методы обработки, как разновидности отделочно-упрочняющей обработки, в основе которых заложено поверхностное пластическое деформирование (ППД). Требуемые параметры качества поверхности и практически все важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин могут быть обеспечены процессами упрочнения их методами поверхностного пластического деформирования, максимально проявляющими потенциальные возможности материала. Применение пластического деформирования материала позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий. В зависимости от назначения метода и пластических деформаций все эти методы можно разделить на три класса: 1) отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин); 2) формообразующая обработка пластическим деформированием (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей); 3) отделочно-упрочняющая обработка пластическим деформированием (калибрование наружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование). Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной.
Накатывание, раскатывание и обкатывание осуществляют специальным инструментом. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность происходит её локальное пластическое деформирование в месте контакта, наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности 9 плоские, цилиндрические, фасонные.
Комбинированная обработка
Особое место среди методов повышения качества деталей машин занимает комбинированная обработка, совмещающая лезвийную и отделочно-упрочняющую обработки. В настоящее время для обработки наружных и внутренних поверхностей вращения достаточно широкое распространение получило совместное точение и обкатывание, осуществляемое с применением комбинированных инструментов, сочетающих в себе режущие и деформирующие элементы. Преимущества совместной обработки резанием и ППД различных поверхностей комбинированными инструментами по сравнению с раздельной обработкой неоспоримо доказаны в современной литературе [6]. Такой метод позволяет не только повысить качество поверхности, но и даёт возможность увеличить производительность, снизить трудоёмкость обработки, что является существенным преимуществом комбинированной обработки перед другими способами повышения качества поверхностного слоя. Однако в настоящее время в справочно-нормативной документации недостаточно полно представлены сведения о рациональной области применения комбинированной отделочно-упрочняющей обработки. Следовательно, использование этого метода требует более подробного исследования и обоснования качества обработанной поверхности в зависимости от свойств обрабатываемого материала, режимов резания, эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей. Таким образом, все методы обработки поверхностным пластическим де-формированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а следовательно и их эксплуатационными свойствами. Опыт современного машиностроения свидетельствует, что при совмещении процесса лезвийной обработки с ППД предоставляется возможность наряду с повышением эксплуатационных свойств изготовляемой продукции одновременно повысить точность и производительность технологического процесса обработки в целом.
Обзор существующих исследований
Эксплуатационные свойства деталей и их соединений (износостойкость, жесткость и прочность, герметичность соединений, прочностью посадок) определяют основной показатель качества машин – надежность. В настоящее время имеется большое число математических зависимостей для определения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений, описанных а работах Крагельского И.В.[11,12], Михина Н.М. [13]. Однако эти зависимости, как правило, носят эмпирический характер, а теоретические уравнения не учитывают состояние поверхностного слоя во всех его геометрических и физико-механических аспектах. В работах Суслова А. Г. [7, 34, 35], Безъязычного В. Ф. [33] приведены универсальные теоретические зависимости для определения эксплуатационных свойств деталей с учётом параметров состояния поверхностного слоя (шероховатости, волнистости, макроотклонения и физико-механических свойств). Износостойкость – эксплуатационное свойство, определяющее способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжении, трении-качении, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. В результате износа деталей машин понижается КПД, теряется точность, снижается прочность, увеличиваются динамические нагрузки, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях, повышается шум при работе. Исследования [5, 7, 11-14, 30, 33-35] по влиянию на износостойкости параметров состояния и физико-механических свойств поверхностного слоя свидетельствуют о возможности управления износостойкостью деталей машин путём выбора рациональных методов обработки. Проведены различные исследования такого эксплуатационные свойства как усталостная прочность [1, 2, 12, 15, 30, 33]. Усталостная прочность – это способность деталей машин сопротивляться разрушению в течение определенного промежутка времени при действии на них знакопеременных нагрузок. В результате исследований установлено, что разрушение деталей машин от усталости металла начинается на их поверхности, а, значит, определяется шерохо-ватостью и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя. Кроме того, усталостная прочность деталей машин зависит не только от величины шероховатости, но и в большей степени от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя. Герметичность соединений определяет их способность удерживать утечку газа или жидкости. В результате проведенных исследований [1, 2, 7, 30, 33-35] выяснилось, что герметичность соединений наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими свойствами его материала и факторами внешнего воз-действия также зависит от параметров шероховатости, волнистости, макроот-клонения и степени упрочнения контактирующих поверхностей. Контактная жесткость определяет способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать. Контактная жесткость оказывает значительное влияние на точ-ность работы механизмов, на точность установки деталей на станках, в приспо-соблениях, на точность обработки и сборки деталей, а в результате – на качество машиностроительных изделий. Как показали исследования [1, 2, 12,], на кон-тактную жесткость также влияет качество поверхности сопрягаемых деталей. свойства. На данный момент произведено большое количество исследований по вопросу закономерностей формирования поверхностного слоя деталей машин. Выполнен анализ многочисленных факторов, влияющих на параметры поверхностного слоя деталей машин, установлены взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки, выявлены пути управления качеством поверхности [7, 8, 14]. Большинство исследований закономерностей формирования поверхностного слоя посвящено параметрам шероховатости поверхности [7, 8]. Особо актуальным становится необходимость решения этого вопроса для комбинированных вариантов обработки, так как данная проблема недостаточно изучена в существующей литературе, имеющиеся работы по технологическому обеспечению эксплуатационных свойств деталей машин при комбинированной обработке носят разрозненный характер, некоторые не отвечают современным требованиям. Всё это обуславливает необходимость более чёткого обоснования обеспечения требуемых эксплуатационных показателей деталей машин на стадии конструкторско-технологической подготовки производства с широким применением для этих целей ЭВМ.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин неразрывно связано с параметрами состояния поверхностного слоя деталей, определяющих их эксплуатационные свойства. Важнейшие эксплуатационные характеристики деталей машин – износостойкость, прочность, герметичность в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Для успешного решения задачи повышения качества машин необходимо рассмотреть теоретические аспекты влияния параметров состояния поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства. Износостойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой деталей машин. Для большинства машин основной причиной отказов является достижение предельно допустимого уровня износа их наиболее ответственных деталей, в связи с чем повышение износостойкости деталей машин является весьма актуальной задачей. Износостойкость деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Известное уравнение [7] для расчета интенсивности изнашивания в период нормального износа при постоянных условиях работы и физико-механических свойствах материала в зависимости от параметров поверхностного слоя может быть представлено:
где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; Sm - средний шаг неровностей; Wz - параметр волнистости; Hmax – максимальное макроотклонение. К – постоянный коэффициент, зависящий от свойств материала детали и условий ее нагружения.
НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава. Основоположником теории процессов термической обработки является Д. К. Чернов, обнаруживший критические точки стали. Термическую обработку характеризуют основные параметры: нагрев до определенной температуры, выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения (рисунок 1).
Рисунок 1- График термической обработки стали.
В зависимости от температурных режимов термическая обработка подразделяется на следующие виды: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, химико-термическая обработка (ХТО), термомеханическая обработка (ТМО).
В звисимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве стали бывают мелко- или крупнозернистыми. Мелкозернистые стали в интервале температур нагрева 950...1000°С почти не изменяют величину зерна. У крупнозернистых сталей рост зерна начинается сразу же после перехода через критическую точку. Отсюда вытекает необходимость строгого соблюдения технологических режимов термической обработки, оказывающих решающее влияние на качество изделий.
Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.
2. Виды отжига. Нормализация стали
Отжиг заключается в нагреве стали выше критических температур, выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью). В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали,различают следующие виды отжига: диффузионный (гомогенизация), полный, неполный (для заэвтек-тоидных сталей называется сфероидизацией) Цель отжига — устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать стали пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние.
При изотермическом отжиге конструкционную сталь нагревают до температуры на 30...50°С выше точки на 50...100°С, затем следует выдержка и медленное охлаждение в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки (680..700°С). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке, при которой происходит полное превращение аустенита в перлит, с последующим охлаждением на воздухе.
Нормализацией стали называется нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ac3 эвтектоидной стали—выше точки Ас,, заэвтектоидной стали—выше точки Ас1 на 30...50°С, выдержка и последующее охлаждение на воздухе (см. рисr 3).
После нормализации углеродистые стали имеют ту же структуру, что и после отжига, но перлит будет более дисперсным (тоньше пластинки ферритоцементитной смеси).
Цель нормализации доэвтектоидных и эвтектоидных сталей та же, что и полного отжига. Однако после нормализации твердость и прочность стали будут выше, чем при отжиге. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет цементитную сетку.
Нормализация—более дешевый и простой вид термической обработки, чем отжиг.
После отжига углеродистая сталь (0,4% С) имеет следующие механические свойства: 
в=550 МПа; d=20%, y===52%, а после нормализации 
в=600 МПа;
d=22%; y ==40%,
На машиностроительные заводы углеродистые стали поставляются в состоянии, обусловливающем относительно невысокую твердость, для того чтобы обеспечить хорошую обрабатываемость резанием. Конструкционные стали поставляются в отожженном или нормализованном состоянии; инструментальные стали — после сфероидизи-рующего отжига.
После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке.
Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3 %, является закалка с последующим отпуском.
Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650...550°С). Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300...200°С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита (см. рисунок 2). В этом районе температур требуется медленное охлаждение, во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.
Существуют следующие способы закалки. Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей.
При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколегированной стали.
При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230...250°С (например, в горячем масле, расплавленной соли и др.), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.
Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита (высокодисперсная смесь феррита и карбида железа).
К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.
Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем проводят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.
Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры, намного превышающей критическую. Перегрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.
Пережог стали может иметь место при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой. Этот дефект неисправимый (брак).
Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев вести в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.
Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.
Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже точки Д.1 с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска - уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств. Основное превращение при отпуске - распад мартенсита, т. е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.
Низкий отпуск производится при 120...150°С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.
Средний отпуск (отпуск на троостит происходит при нагреве до температур 350...450°С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.
Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500...650°С. Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 %С).
Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400...3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость достигает Н1^С50...56.
Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.
Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость.
В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.
Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость.
Прокаливаемость — способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше Прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, например, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10... ...20мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250...300 мм.
4. Термомеханическая обработка стали
Термомеханическая обработка (ТМО) является сравнительно новым методом обработки, позволяющим повысить механические свойства металлических материалов. ТМО—это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическое деформирование и охлаждение. Термомеханическое воздействие приводит к получению структурного состояния, которое обеспечивает повышение механических свойств.
Оптимальное сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к повышению плотности и более правильному расположению несовершенств кристаллической решетки металла.
Различают два основных вида ТМО: высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) (рисунок 7, а) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО) (рисунок 7, б).
При ВТМО деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации (при этом сталь имеет аустенитную структуру). Степень деформации 20... ...30 %. Во избежание рекристаллизации вслед за деформацией незамедлительно производится закалка (1150°С) с последующим низкотемпературным отпуском (100... ...200°С).
НТМО применяется только для легированных сталей, обладающих значительной устойчивостью переохлажденного аустенита. При НТМО деформация производится ниже температуры рекристаллизации (400...600°С), степень деформации 75...95%. Закалку производят сразу после деформации, а затем следует низкотемпературный отпуск (Ю0...200°С).
Недостатками НТМО являются, во-первых, необходимость использования мощного оборудования для деформирования, во-вторых, стали после НТМО имеют невысокую сопротивляемость хрупкому разрушению.
Если при обычной термической обработке сталь имеет временное сопротивление при растяжении 2000...2200 МПа, то после ТМО оно достигает 2200...3000 МПа, при этом пластичность увеличивается в два раза (удлинение с 3...4 % повышается до 6...8 %).
Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель — упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, уста-лостной прочности и т. п. и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. К процессам химико-термической обработки относятся цементация, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование, силициро-вание,борирование и др.
ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами. Первый процесс – диссоциация - заключается в распаде молекул и образовании диффунди-рующего элемента в атомарном состоянии.
Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет собой взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и проникновение их в решетку железа. Третий процесс - диффузия заключается в проникновении атомов насыщенного элемента в глубь металла.
Рассмотрим кратко некоторые виды химико-термической обработки.
Цементацией называется процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цель цементации—придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (сталь марок 10, 15, 20, А 12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например зубья автомобильных зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т. д. Температура цементация 900...970°С. Толщина цементован-ного слоя от 0,1 до 3...4 мм.
Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования - придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Образовашийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, воздействует на сталь и образует с элементами, входящими в ее состав (Сг, Ре, А1 и др.), различные нитриды, обладающие высокой твердостью (до НRС 70). Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400...600°С, в то время как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200...250°С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,75 мм,
Цианированием называют насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температуре 820...950°С.
Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. При низкотемпературном цианирова-нии детали нагревают до 820...860 °С в расплавленных солях, содержащих МаСМ, в течение 0,5..1,5 ч. при этом получают слой толщиной 150...350 мкм. Затем производят закалку непосредственно с температуры цианирования с последующим низкотемпературным отпуском (180... ...200°С). Твердость после термической обработки составляет Н^С 58...62. Такой обработке обычно подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.
Для получения более толстого слоя (500.. .2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930... ...950°С со временем выдержки 1,5...6 ч. После такой обработки детали охлаждают на воздухе, производят закалку и низкотемпературный отпуск. Недостатком этого процесса является токсичность цианистых солей. Это вызывает необходимость проводить работу в специальном помещении с соблюдением мер безопасности.
Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота 40 %, водорода 40 % и оксида углерода 20 % при температуре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение—повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости.После закалки и низкого отпуска (160...180°С) твердость поверхностного слоя составляет НRС 58...60 и толщина слоя 0,2...0,8 мм; они зависят от температуры и времени выдержки.
Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией — более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.
Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей 20, 40, 40Х, ЗОХГС и других бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850...950°С в течение 2...6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его НУ 1800...2000.
Диффузионная металлизация — процесс диффузионного насыщения поверхности стальных деталей металлами с целью придания их поверхности жаростойкости, коррозионной стойкости, твердости, износостойкости и др. Диффузионная металлизация может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах. Для твердой Диффузионной металлизации используют ферросплавы с добавлением хлористого аммиака (0,5...5 %). Жидкую диффузионную металлизацию проводят, погружая детали в расплавленный металл (А1, 2п и др.). Газовую диффузионную металлизацию проводят в газовых средах •— хлоридах различных металлов. Поверхностное насыщение проводится при температурах 900...1200 °С. В последнее время применяют и многокомпонентное насыщение поверхности стали (два и больше компонентов).
Рассмотрим кратко наиболее часто применяемые процессы диффузионной металлизации.
Силицирование—термодиффузионное насыщение поверхности изделия кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и кислотостойкости материалов в агрессивных жидких и газовых средах. Силицирование применяют, например, для гнезд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, рубашек цилиндров, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов и др.
Алитирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости), коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуществляют в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распылением жидкого алюминия. Наибольшее распространение получило алитирование в порошках, с насыщением из газовой фазы. На поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия (А120з), предохраняющая от окисления алитированные изделия. Алитирование производят при 950... ...1050°С в течение 3...12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2...0,8 мм.
В частности, алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие изделия, работающие при высоких температурах. Следует отметить, что при использовании вакуумного алитирования можно получать покрытия высокой чистоты.
Хромирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. Хромирование производится при 1000... ...1050°С в течение 6...12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые стали: структура слоя состоит из твердого раствора хрома в а - железе и содержит 30...40 % хрома. При хромировании средне- и высокоуглеродистой стали получаемый слой состоит из карбидов хрома. Хромированию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др.
Цинкование наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60 % от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6...36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изготовления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте и др.
Контроль качества термической и химико-термической обработки включает в себя послеоперационный контроль всех деталей в процессе обработки по твердости, структуре и глубине обработанного слоя. Особое внимание при термической обработке следует обратить на дефекты деталей (трещины, коробление и т. д.). Контроль мелких трещин в закаленных деталях производят методом магнитной или рентгенодефектоскопии. В частности, этот метод используется для контроля пружин, рессорных листов, деталей управления автомашин и др. Некоторые виды брака цементованных деталей, например недостаточная толщина слоя или пониженное содержание углерода на поверхности, могут быть исправлены путем дополнительной химико-термической обработки по специальному режиму.
При термической и химико-термической обработке следует строго придерживаться инструкций по охране труда. Особое внимание надо обратить на обслуживание печей, работающих на газовом и электрическом нагреве. При обслуживании электрических печей основное внимание нужно обратить на выполнение правил электробезопасности. Рабочие места должны быть обеспечены инструкциями по технике безопасности, охране труда и эксплуатации установок электрооборудования. Рабочие, не прошедшие инструктаж, к работе не допускаются.
Мероприятия по охране окружающей среды при термической и химико-термической обработке во многом сходны с мероприятиями, проводимыми в металлургическом производстве. Особое внимание уделяется при этом улавливанию и обезвреживанию газов, выделяющихся при проведении ХТО.
УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ.
Достигнуто многократное увеличение износостойкости и срока службы машин при снижении их себестоимости. Надежные механизмы не требуют теперь применения дорогих высокопрочных сплавов и сложных технологий обработки. Эффект достигается нанесением тонких (0,1–10 мкм) (оптимальная толщина!) износостойких покрытий на рабочие поверхности деталей, выполненных из дешевых материалов. Износостойкость подобных деталей может быть более высокой, чем изготовленных из специальных сплавов. Основной технологический процесс изготовления деталей остается неизменным. Добавляется только процесс нанесения покрытия, а его малая толщина не требует изменения величины допусков на размеры деталей.
В чем отличие (революционность) новых разработок.
Покрытия и упрочняющие слои давно применяются в машиностроении (азотирование и карбидизация поверхности деталей, нанесение упрочняющих покрытий и т.п.). Известные способы упрочнения увеличивают износостойкость изделий в 1,5–3 раза. Но эти результаты уже не удовлетворяет машиностроителей. Требуется изменение свойств в десятки, сотни и тысячи раз. Стали применяться сверхпрочные сплавы, прочность которых выше прочности инструментальных материалов. Вследствие чего возникла проблема с обработкой деталей из этих сплавов. Но уже сейчас требуются еще более прочные материалы. Если мы хотим отказаться от специальных сплавов, такими же прочными (и даже более прочными) должны быть детали из обычных конструкционных материалов, но с очень прочным покрытием.
Возможно ли, чтобы свойства детали, изготовленной из стандартной конструкционной стали, изменились только за счет покрытия в сотни раз. Что это возможно, неоднократно продемонстрировано на промышленных изделиях. Это уже не единичные лабораторные экземпляры. Такие детали работают, и есть реальная возможность их дальнейшего совершенствования. Не исключается нанесение покрытий и на сверхпрочные сплавы для дальнейшего их улучшения. Новый сплав трудно и дорого создавать, а с помощью покрытия можно просто и быстро достичь нужного результата.
Чтобы получить предельно прочные покрытия, необходимо использовать все возможности. Вот некоторые из них:
1.Нужны многослойные композиции, состоящие из множества сверхтонких (25–50 ангстрем) сплошных слоев (двумерные системы); сплошной слой при традиционных технологиях образуется при толщине 400-500 ангстрем.
2. При синтезе необходимо поддерживать близкую к комнатной температуру конденсации, которая обеспечит получение сверхмелкого зерна и предотвратит "расползание" сверхтонких слоев за счет диффузии.
3. Использовать приемы, позволяющие сохранить аномально высокие прочностные свойства тонких слоев в толстой композиции.
4. Применять твердые (Hv около 2500 кг/мм2) сверхупругие ("резиноподобные") материалы (след от алмазной пирамидки после измерении твердости не имеет глубины).
5. Расслаивать сверхтвердые слои сверхпластичным материалом, обеспечивающим сток дислокаций из твердого слоя.
6. Реакция между металлом и легирующим газом должна происходить преимущественно в зоне синтеза материала, а не на катоде или в промежутке между катодом и подложкой.
Применяемый способ получения покрытий должен позволять делать многослойные композиции из сверхтонких слоев и использовать все перечисленные возможности. Исследования показали, что ни один из существующих способов получения покрытий не удовлетворяет полностью всем необходимым требованиям.
Таким образом, существенный эффект от тонкопленочного упрочнения может быть получен только с покрытиями, обладающими очень высокими физическими (прочностными) свойствами. В полной мере этому требованию отвечают только покрытия, изготовленные по технологии КИНТ (конденсация с ионной бомбардировкой низкотемпературная), специально для этого разработанной. Технология позволяет синтезировать материалы при комнатной температуре подложки и изменять необходимые свойства покрытий в сотни и более раз. При этом эксплуатационные свойства деталей тоже изменяются в сотни раз. Покрытия КИНТ не ухудшают свои свойства со временем. Технологические установки для этой технологии отличаются невысокой стоимостью, простотой обслуживания и высокой производительностью.
Проведенные в НИИТавтопроме исследования упрочненных деталей и последующие расчеты показали, что увеличение традиционными методами ресурса двигателя внутреннего сгорания в 2 раза сопровождается увеличением его себестоимости в 6 раз (за счет применения более дорогостоящих материалов). Технология КИНТ дает возможность увеличить ресурс в 5 раз при увеличении себестоимости на 20%. Если этот же двигатель специально спроектирован с учетом технологии упрочнения, то увеличение ресурса в 10 раз возможно при снижении себестоимости на 20%. Связано это с заменой дорогих и дефицитных материалов на доступные, но с покрытием. В настоящий момент результаты могут быть более весомыми.
Какие необычные по свойствам материалы уже получены. Если говорят, что покрытие выполнено из нитрида титана, нитрида молибдена и т.п., то это еще ничего не значит, потому что такое покрытие может обладать совершенно разными свойствами, отличающимися (в зависимости от технологии получения) в сотни раз. Нитрид молибдена может иметь микротвердость от 300 до 7500 кг/мм2 (почти такую же, как у искусственного алмаза). Особенно отличаются по свойствам композиционные покрытия, содержащие тысячи совершенно разных слоев (монослойные покрытия применяются сейчас только в старых, традиционных технологиях). Существуют покрытия с аномальными свойствами, получить которые с помощью традиционных технологий вообще невозможно (с повышенной теплопроводностью и повышенной микроусталостной прочностью, сверхтвердые, с низким коэффициентом трения, "резиноподобные" и т.п.).
Есть материалы с твердостью существенно выше, чем у алмаза и материалы, повышающие абразивную износостойкость деталей, работающих в песке или в запыленной атмосфере в сотни раз. Микроусталостная прочность материала покрытия может быть увеличена в сотни раз. Наибольший интерес представляют сверхупругие ("резиноподобные") покрытия. Абразивная износостойкость деталей с этими покрытиями по сравнению с традиционными монолитными материалами выше в 1000 и более раз.
Проектирование покрытий
Впервые с конструкцией и проектированием покрытий мы столкнулись при разработке технологии упрочнения колец дизеля. Потребовалось увеличить ресурс дизеля, который ограничивался стойкостью верхних, жаровых колец. Нанесли на кольца твердое покрытие. Износ колец прекратился, но начала усиленно изнашиваться гильза. Поверх твердого слоя нанесли тонкий мягкий слой. Износ гильзы уменьшился более чем на порядок, но двигатель заклинило, так как в месте контакта кольца с гильзой возросла температура и кольцо расширилось. Ввели в покрытие твердую смазку. Нагрев прекратился, но нарушилась смазка поверхности гильзы. Увеличили шероховатость поверхности кольца, и двигатель начал нормально работать. Если раньше за время гарантийного ресурса двигателя износ кольца составлял 120 мкм, то теперь стал всего 4 мкм. Одновременно существенно уменьшился износ гильзы.
При проектировании покрытий используются как микро-, так и макрослои. Оказалось, что нужно упрочнять только одну деталь в трущейся паре. Тончайший, в несколько мкм, мягкий пластичный слой на поверхности твердого покрытия увеличивает его износостойкость в несколько раз. Одновременно прекращается износ контртела твердым слоем. (Тот же эффект, как при точении мягкого алюминия напильником: режущие выступы на напильнике забиваются мягким металлом, и точение алюминия прекращается).
Существенное значение имеют свойства переходных слоев между основой и покрытием и между слоями в покрытии. Если эти слои выполнены из сверхпластичного материала, происходит сток дислокаций из твердого слоя в эти слои, что обеспечит высокую прочность и стабильность покрытия. Твердую смазку можно вводить даже в сверхтвердые покрытия, твердость которых выше твердости алмаза. В этом случае получен самый низкий коэффициент трения – менее 0,001.
Особенности внедрения новой технологии.
Несмотря на впечатляющие результаты исследований покрытий и деталей с этими покрытиями, разработки внедряются очень медленно. Причина – высокая износостойкость деталей машин и инструмента с новыми покрытиями.
В связи с отсутствием твердого сплава направляющие ролики для канатонавивочной машины были изготовлены из закаленной углеродистой инструментальной стали. Ролики вышли из строя за одну смену. Те же ролики, упрочненные сверхупругим нитридом титана, использовались более трех лет и еще остаются работоспособными. За время эксплуатации роликов поменялась дирекция завода и обслуживающий машины персонал. На заводе уже забыли, откуда взялись эти ролики, и что делать, когда они выйдут из строя.
На фабрике, выпускающей трикотаж, забыли заказать на следующий год иглы для вязальной машины. Оставался всего один комплект, которого хватало на месяц работы машины. После нанесения покрытия иглы оставались “в строю” еще три года.В середине 2001 года на машиностроительный завод была передана на испытания партия упрочненного инструмента. Испытания должны были закончить к декабрю того же года. Сейчас 2003 год, а испытания инструмента все еще продолжаются. В разных условиях работы инструмента получены далеко не одинаковые результаты. Увеличение стойкости составляет от 2,5 до 80 раз. Чтобы получить одинаковые результаты, проходится подбирать покрытие с нужными свойствами для каждого вида инструмента. Чем ближе свойства инструмента приближаются к оптимальным, тем долше приходиться ждать ответа. Беда в том, что эти „небольшие“ исследования затягиваются на годы. Дело обстоит ещё хуже, когда приходится гарантировать работоспособность машин в течение многих лет эксплуатации (лопатки паровых турбин и компрессоров авиационных двигателей, гироскопы и т.п.)
