Master Moaz

ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТЕХНОЛОГІЧНИМИ МЕТОДАМИ

Основні експлуатаційні властивості деталей машин - зносостійкість, міцність, корозійна стійкість значною мірою визначаються станом їх поверхневого шару, визначуваного технологією виготовлення. У сучасному виробництві призначення і технологічне забезпечення параметрів стану поверхонь деталей недостатньо обгрунтовано, що приводить або до завищення вимог і дорожчання машин, або до їх заниження і зниження надійності.
Існує достатньо велика кількість різних технологічних методів підвищення якості поверхонь деталей. Найбільш поширеними з них є, гальванічні і хімічні методи нанесення покриттів, наплавлення, напилення, іонна імплантація, лазерна обробка. Забезпечуючи підвищення експлуатаційних властивостей, а так само, покращуючи декоративний вид виробів, ці методи в той же час є екологічно небезпечними, такими, що забруднюють навколишнє середовище і що представляють складність в утилізації відходів.

Методи підвищення якості деталей машин
Великі можливості в технологічному управлінні якістю поверхні деталей машин мають такі прогресивні методи обробки, як різновиди обробно-зміцнюючої обробки, в основі яких закладено поверхневу пластичну деформацію (ППД). Необхідні параметри якості поверхні і практично всі найважливіші експлуатаційні властивості деталей машин можуть бути забезпечені процесами зміцнення їх методами поверхневої пластичної деформації, що максимально проявляють потенційні можливості матеріалу. Застосування пластичної деформації матеріалу дозволяє понизити матеріаломісткість і підвищити надійність і довговічність виробів. Залежно від призначення методу і пластичних деформацій всі ці методи можна розділити на три класи: 1) обробно-зміцнююча обробка поверхневою пластичною деформацією (накочення, обкачування, розкочування, випрасовування, віброобработка, динамічне зміцнення, електромеханічна і комбінована обробка різних поверхонь деталей машин); 2) формоутворювальна обробка пластичною деформацією (накочення зубів, шліців, резьб, фасонних поверхонь); 3) обробно-зміцнююча обробка пластичною деформацією (калібрування зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання і дорнованіє). Випрасовування проводять інструментом, робочим елементом якого є алмазний індентор, що ковзає по оброблюваній поверхні. Цим методом можна обробляти всі види поверхонь від плоскої до фасонної.
Накочення, розкочування і обкачування здійснюють спеціальним інструментом. При тиску робочого елементу на оброблювану поверхню відбувається її локальна пластична деформація в місці контакту, наявність різної обертальної і поступальної ходи дозволяє обробляти різні поверхні 9 плоскі, циліндрові, фасонні.
Комбінована обробка
Особливе місце серед методів підвищення якості деталей машин займає комбінована обробка, що суміщає лезвійную і що обробний-зміцнює обробки. В даний час для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь обертання достатньо широкого поширення набуло сумісне точіння і обкачування, здійснюване із застосуванням комбінованих інструментів, що поєднують в собі ріжучі і деформуючі елементи. Переваги сумісної обробки різанням і ППД різних поверхонь комбінованими інструментами в порівнянні з роздільною обробкою незаперечно доведені в сучасній літературі [6]. Такий метод дозволяє не тільки підвищити якість поверхні, але і дає можливість збільшити продуктивність, понизити трудомісткість обробки, що є істотною перевагою комбінованої обробки перед іншими способами підвищення якості поверхневого шару. Проте в даний час в довідково-нормативній документації недостатньо повно представлені відомості про раціональну область застосування комбінованої обробно-зміцнюючої обробки. Отже, використання цього методу вимагає докладнішого дослідження і обгрунтування якості обробленої поверхні залежно від властивостей оброблюваного матеріалу, режимів різання, експлуатаційних властивостей оброблюваних деталей. Таким чином, всі методи обробки поверхневим пластичним де-формированием мають широкі можливості в управлінні параметрами стану поверхневого шару деталей машин, а отже і їх експлуатаційними властивостями. Досвід сучасного машинобудування свідчить, що при поєднанні процесу лезвійной обробки з ППД надається можливість разом з підвищенням експлуатаційних властивостей продукції, що виготовляється, одночасно підвищити точність і продуктивність технологічного процесу обробки в цілому.

Огляд існуючих досліджень

Експлуатаційні властивості деталей і їх з'єднань (зносостійкість, жорсткість і міцність, герметичність з'єднань, міцністю посадок) визначають основний показник якості машин - надійність. В даний час є велике число математичних залежностей для визначення експлуатаційних властивостей деталей машин і їх з'єднань, описаних а роботах Крагельського І.В.[11,12], Міхина Н.М. [13]. Проте ці залежності, як правило, носять емпіричний характер, а теоретичні рівняння не враховують стан поверхневого шару у всіх його геометричних і физико-механічних аспектах. У роботах Суслова А. Р. [7, 34, 35], Без'язикового. Ф. [33] приведені універсальні теоретичні залежності для визначення експлуатаційних властивостей деталей з урахуванням параметрів стану поверхневого шару (шорсткості, хвилястості, макровідхилення і физико-механічних властивостей). Зносостійкість - експлуатаційна властивість, що визначає здатність поверхневих шарів деталей чинити опір руйнуванню при терті-ковзанні, терті-коченні, а також при мікропереміщеннях, обумовлених дією вібрацій. В результаті зносу деталей машин знижується КПД, втрачається точність, знижується міцність, збільшуються динамічні навантаження, які є слідством збільшення зазорів в сполученнях, підвищується шум при роботі. Дослідження [5, 7, 11-14, 30, 33-35] по впливу на зносостійкості параметрів стану і физико-механічних властивостей поверхневого шару свідчать про можливість управління зносостійкістю деталей машин шляхом вибору раціональних методів обробки. Проведені різні дослідження такого експлуатаційні властивості як втомна міцність [1, 2, 12, 15, 30, 33]. Втомна міцність - це здатність деталей машин чинити опір руйнуванню протягом певного проміжку часу при дії на них знакозмінних навантажень. В результаті досліджень встановлено, що руйнування деталей машин від втоми металу починається на їх поверхні, а, значить, визначається шерохо-ватостью і физико-механічними характеристиками поверхневого шару. Крім того, втомна міцність деталей машин залежить не тільки від величини шорсткості, але і більшою мірою від наклепа і залишкових напруг поверхневого шару. Герметичність з'єднань визначає їх здатність утримувати витік газу або рідини. В результаті проведених досліджень [1, 2, 7, 30, 33-35] з'ясувалося, що герметичність з'єднань разом з геометрією ущільнення, физико-механічними властивостями його матеріалу і чинниками зовнішньої дії воза також залежить від параметрів шорсткості, хвилястості, макроот-клоненія і ступені зміцнення контактуючих поверхонь. Контактна жорсткість визначає здатність поверхневих шарів деталей, що знаходяться в контакті, чинити опір дії сил, прагнучих їх деформувати. Контактна жорсткість робить значний вплив на точ-ность роботи механізмів, на точність установки деталей на верстатах, в пріспо-собленіях, на точність обробки і збірки деталей, а в результаті - на якість машинобудівних виробів. Як показали дослідження [1, 2, 12], на кон-тактную жорсткість також впливає якість поверхні деталей, що сполучаються. властивості. На даний момент проведено велику кількість досліджень з питання закономірностей формування поверхневого шару деталей машин. Виконаний аналіз численних чинників, що впливають на параметри поверхневого шару деталей машин, встановлені взаємозв'язки між цими параметрами при різних методах обробки, виявлені шляхи управління якістю поверхні [7, 8, 14]. Більшість досліджень закономірностей формування поверхневого шару присвячена параметрам шорсткості поверхні [7, 8]. Особливо актуальною стає необхідність рішення цього питання для комбінованих варіантів обробки, оскільки дана проблема недостатньо вивчена в існуючій літературі, наявні роботи по технологічному забезпеченню експлуатаційних властивостей деталей машин при комбінованій обробці носять розрізнений характер, деякі не відповідають сучасним вимогам. Все це обуславліваєт необхідність чіткішого обгрунтування забезпечення необхідних експлуатаційних показників деталей машин на стадії конструкторсько-технологічної підготовки виробництва з широким застосуванням для цих цілей ЕОМ.

ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ СТАНУ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ
ДОСЛІДЖЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ

Технологічне забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин нерозривно пов'язане з параметрами стану поверхневого шару деталей, що визначають їх експлуатаційні властивості. Найважливіші експлуатаційні характеристики деталей машин - зносостійкість, міцність, герметичність значною мірою залежить від стану їх поверхневого шару, визначуваного параметрами механічної обробки при виготовленні. Для успішного вирішення завдання підвищення якості машин необхідно розглянути теоретичні аспекти впливу параметрів стану поверхневого шару деталей на їх експлуатаційні властивості. Зносостійкість є найважливішою експлуатаційною характеристикою деталей машин. Для більшості машин основною причиною відмов є досягнення гранично допустимого рівня зносу їх найбільш відповідальних деталей, у зв'язку з чим підвищення зносостійкості деталей машин є вельми актуальним завданням. Зносостійкість деталей машин значною мірою залежить від стану їх поверхневого шару, визначуваного параметрами механічної обробки при виготовленні. Відоме рівняння [7] для розрахунку інтенсивності зношування в період нормального зносу за постійних умов роботи і физико-механічних властивостей матеріалу залежно від параметрів поверхневого шару може бути представлено:

де tm - відносна опорна довжина профілю на рівні середньої лінії; Ra - середнє арифметичне відхилення профілю; Sm - середній крок нерівностей; Wz - параметр хвилястості; Hmax - максимальне макровідхилення. До - постійний коефіцієнт, залежний від властивостей матеріалу деталі і умов її навантаження.

ДЕЯКІ ВИДИ ТЕХНОЛОГІЇ ТЕРМІЧНОЇ І ХІМІКО-ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛИ

Види термічної обробки. Перетворення в сталі

Термічною обробкою називають процеси, пов'язані з нагрівом і охолоджуванням металу, що знаходиться в твердому стані, з метою зміни структури і властивостей без зміни його хімічного складу. Основоположником теорії процесів термічної обробки є Д. До. Чернов, що виявив критичні крапки стали. Термічну обробку характеризують основні параметри: нагрів до певної температури, витримка при цій температурі, швидкість нагріву і швидкість охолоджування (малюнок 1).

Малюнок 1- Графіка термічної обробки стали.

Залежно від температурних режимів термічна обробка підрозділяється на наступні види: відпал, нормалізація, гарт, відпустка, хіміко-термічна обробка (ХТО), термомеханічеськая обробка (ТМО).
У звісимості від схильності до зростання аустенітного зерна при нагріві сталі бувають мелко- або грубозернистими. Дрібнозернисті стали в інтервалі температур нагріву 950...1000?С майже не змінюють величину зерна. У грубозернистих сталей зростання зерна починається відразу ж після переходу через критичну крапку. Звідси витікає необхідність строгого дотримання технологічних режимів термічної обробки, що надають вирішальне вплив на якість виробів.
Можливість зміцнення сталей шляхом термічної обробки обумовлена наявністю аллотропічеськіх перетворень в твердому стані. Охолоджуючи аустеніт з різними швидкостями і викликаючи тим самим різний ступінь переохолодження, можна одержати продукти розпаду аустеніту, що різко відрізняються за будовою і властивостями.

2. Види відпалу. Нормалізація стали

Відпал полягає в нагріві стали вищі за критичні температури, витримці при даній температурі і повільному охолоджуванні (звичайно разом з піччю). Залежно від вимог, що пред'являються до властивостей стали, розрізняють наступні види відпалу: дифузійний (гомогенізація), повний, неповний (для заевтек-тоїдних сталей називається сфероїдізацией) Мета відпалу - усунути внутрішні напруги, подрібнити зерно, додати стали пластичність перед подальшою обробкою і привести структуру в рівноважний стан.
При ізотермічному відпалі конструкційну сталь нагрівають до температури на 30...50?С вище за крапку на 50...100?С, потім слідує витримка і повільне охолоджування в розплавленій солі до температури дещо нижче за крапку (680..700?С). При цій температурі сталь піддають ізотермічній витримці, при якій відбувається повне перетворення аустеніту в перлит, з подальшим охолоджуванням на повітрі.
Нормалізацією сталі називається нагрів доевтектоїдной стали вищі крапки Ac3 евтектоїдной сталі-више крапки Ас,, заевтектоїдной сталі-више точки Ас1 на 30...50?С, витримка і подальше охолоджування на повітрі (див. рисr 3).
Після нормалізації вуглецеві сталі мають ту ж структуру, що і після відпалу, але перлит буде більш дисперсним (тонше за пластинку феррітоцементітной суміші).
Мета нормалізації доевтектоїдних і евтектоїдних сталей та ж, що і повного відпалу. Проте після нормалізації твердість і міцність сталі будуть вищі, ніж при відпалі. Нормалізація застосовується для усунення грубозернистої структури, вирівнювання механічних властивостей. У заевтектоїдних сталях нормалізація усуває цементітную сітку.
Нормалізация-болєє дешевий і простий вид термічної обробки, чим відпал.
Після відпалу вуглецева сталь (0,4% З) має наступні механічні властивості: в=550 МПа; d=20%, y===52%, а після нормалізації в=600 МПа;
d=22%; у ==40%,
На машинобудівні заводи вуглецеві сталі поставляються в змозі, що обумовлює відносно невисоку твердість, для того, щоб забезпечити хорошу оброблювану різанням. Конструкційні сталі поставляються в отожженном або нормалізованому стані; інструментальні стали - після сфероїдізі-рующего відпалу.

3 Гарт і відпуск сталі

Після механічної обробки виріб, як правило, піддається зміцнюючій термічній обробці.
Найбільш поширеним видом зміцнюючої термічної обробки вуглецевих сталей, що містять вуглецю більше 0,3 %, є гарт з подальшою відпусткою.
Швидкість нагріву і час витримки деталей залежать від розмірів, маси деталей, їх конфігурації, хімічного складу матеріалу деталей, від типу нагрівальних печей і нагрівальних середовищ.
При гарті як охолоджуюче середовище найчастіше використовують воду, іноді з добавками солей, лугів. Для збільшення охолоджуючої здатності застосовують також масла, розплавлені солі і метали. Для гарту істотне значення має швидкість охолоджування в інтервалі температур, де аустеніт найменше стійкий (650...550?С). Цей інтервал температур при гарті треба пройти швидко. Важливе значення має швидкість охолоджування і в інтервалі температур 300...200?С, коли в багатьох сталях відбувається утворення мартенсіту (див. малюнок 2). У цьому районі температур потрібне повільне охолоджування, щоб уникнути виникнення напруг і гартівних тріщин.
Існують наступні способи гарту. Гарт в одному охолоджувачі полягає в тому, що нагріту під гарт деталь занурюють в гартівне середовище (вода, масло і т. д.), в якому вона знаходиться до повного охолоджування. Застосовують для нескладних деталей з вуглецевої і легованих сталей.
При гарті в двох середовищах (переривистий гарт) деталь спочатку занурюють в бистроохлаждающую середовище (воду), а потім швидко переносять в інше середовище (масло, селітру або на повітря), де вона охолоджується до кімнатної температури. Такий гарт застосовують звичайно для обробки інструменту з високолегованої сталі.
При ступінчастому гарті нагріта деталь охолоджується в середовищі при температурі 230...250?С (наприклад, в гарячому маслі, розплавленій солі і ін.), а потім після невеликої витримки охолоджується на повітрі.
Ізотермічний гарт проводиться так само, як і ступінчаста, але витримка в гартівному середовищі триваліша. При такій витримці відбувається ізотермічний розпад аустеніту з утворенням бейніта (високодисперсна суміш фериту і карбіду заліза).
До основних дефектів гарту відносяться: недогрів, перегрів, пережог, зневуглецювання, викривлення, тріщини і ін.
Якщо нагрів сталі був нижчий за критичну крапку, то говорять про гарт з недогрівом. Цей дефект поправний, для чого сталь піддають відпалу, а потім проводять гарт відповідно до технологічних рекомендацій.
Перегрів має місце тоді, коли сталь нагрівають до температури, що набагато перевищує критичну. Перегрів також можна виправити відпалом з подальшим гартом.
Пережог сталі може мати місце при значному перегріві стали перед гартом. При цьому сталь стає дуже крихкою. Цей дефект непоправний (брак).
Зневуглецювання і окислення поверхні відбувається при нагріві в полум'яних або електричних печах без контрольованих атмосфер. Щоб уникнути цих дефектів, треба нагрів вести в спеціальних печах із захисною (контрольованої) атмосферою, нейтральною по відношенню до сталі.
Гарт сталі супроводжується збільшенням її об'єму, що приводить до значних внутрішніх напруг, які є причиною утворення тріщин і викривлення. Тріщини є непоправним дефектом, а викривлення можна усунути подальшим рихтуванням або правкою. З вказаних вище причин загартовані вироби і інструмент піддають відпустці.
Відпусткою називають нагрів стали до температури нижче за точку Д.1 з витримкою при даній температурі і подальшим охолоджуванням із заданою швидкістю (звичайно охолоджують на повітрі). Мета відпустки - зменшення гартівних напруг, зниження твердості і отримання необхідних механічних властивостей. Основне перетворення при відпустці - розпад мартенсіту, тобто виділення вуглецю з пересиченого твердого розчину у вигляді найдрібніших кристалів карбіду заліза.
Залежно від температури нагріву розрізняють три види відпустки.
Низька відпустка проводиться при 120...150?С (відпустка на відпущений мартенсіт). Його застосовують після гарту інструментів, цементованних і цианірованних виробів, а також після поверхневого гарту. При низькій відпустці зменшуються залишкові гартівні напруги, твердість практично не знижується.
Середня відпустка (відпустка на троостіт відбувається при нагріві до температур 350...450?С. При цьому знижується твердість. Середня відпустка рекомендується для пружин і ресор.
Висока відпустка (відпустка на сорбіт) проводиться при температурі 500...650?С. Застосовують в машинобудуванні для виробів з конструкційної сталі з метою забезпечення достатньої міцності, в'язкості і пластичності. Поєднання гарту з високою відпусткою на сорбіт називається поліпшенням. Цю операцію застосовують для среднеуглеродістих сталей (0,35...0,6 %С).
Газополум'яний гарт полягає в нагріві поверхні сталевих виробів ацетіленокислородним полум'ям, температура якого складає 2400...3150 ?С; при цьому поверхня виробу швидко нагрівається до температури гарту, а серцевина не встигає нагрітися. Швидке охолоджування забезпечує гарт поверхневого шару. Товщина загартованого шару 2...4 мм, твердість досягає Н1^С50...56.
Індукційний нагрів струмами високої частоти (ТВЧ) найбільш поширений продуктивний і прогресивний метод поверхневого зміцнення. Перевагою його є можливість автоматизації процесу, відсутність вигорання вуглецю і інших елементів, а також окислення поверхні виробу. Суть способу полягає в тому, що під дією електрорушійної сили (ЕДС) в металі виникають електричні вихрові струми (струми Фуко), які нагрівають метал до потрібної температури.
Твердість поверхневого шару при нагріві ТВЧ дещо вищий, ніж твердість, що одержується при звичайному гарті. Гарт з використанням ТВЧ застосовують для сталей із змістом вуглецю більше 0,4 %, щоб одержати задану твердість.
Останнім часом також застосовується поверхнева обробка з використанням нагріву лазером.
Під гартованою розуміють здатність стали набувати високої твердості після гарту. Гартована залежить від вмісту вуглецю в сталі: чим більше вуглецю, тим вище твердість.
Прожарювана - здатність стали гартуватися на певну глибину. Прожарювана залежить від хімічного складу стали, розмірів деталі і умов охолоджування. Чим більша стійкість аустеніту, що переохолоджував, тим більше Прожарювана. Характеристикою прожарюваної є критичний діаметр, тобто максимальний діаметр циліндрового прутка, який прожарюється повністю в охолоджуючому середовищі. Так, наприклад, для вуглецевих сталей при гарті у воді критичний діаметр складає 10... ...20мм. Леговані стали при гарті в маслі залежно від ступеня легування можуть прожарюватися в перетині до 250...300 мм.
4. Термомеханічеськая обробка стали
Термомеханічеськая обробка (ТМО) є порівняно новим методом обробки, що дозволяє підвищити механічні властивості металевих матеріалів. ТМО-ето сукупність операцій пластичної деформації і термічної обробки, суміщених в одному технологічному процесі, який включає нагрів, пластичну деформацію і охолоджування. Термомеханічеськоє дія приводить до отримання структурного стану, який забезпечує підвищення механічних властивостей.
Оптимальне поєднання пластичної деформації і фазових перетворень приводить до підвищення щільності і правильнішому розташуванню недосконалості кристалічної решітки металу.
Розрізняють два основні види ТМО: високотемпературну термомеханічеськую обробку (ВТМО) (малюнок 7, а) і низькотемпературну термомеханічеськую обробку (НТМО) (малюнок 7, би).
При ВТМО деформація проводиться при температурі вище за температуру рекристалізації (при цьому сталь має аустенітную структуру). Ступінь деформації 20... ...30 %. Щоб уникнути рекристалізації услід за деформацією негайно проводиться гарт (1150?С) з подальшою низькотемпературною відпусткою (100... ...200?С).
НТМО застосовується тільки для легованих сталей, що володіють значною стійкістю аустеніту, що переохолоджував. При НТМО деформація проводиться нижче за температуру рекристалізації (400...600?С), ступінь деформації 75...95%. Гарт проводять відразу після деформації, а потім слідує низькотемпературна відпустка (Ю0...200?С).
Недоліками НТМО є, по-перше, необхідність використання могутнього устаткування для деформації, по-друге, стали після НТМО мають невисоку опірність крихкому руйнуванню.
Якщо при звичайній термічній обробці сталь має тимчасовий опір при розтягуванні 2000...2200 МПа, то після ТМО воно досягає 2200...3000 МПа, при цьому пластичність збільшується в два рази (подовження з 3...4 % підвищується до 6...8 %).

5 Хіміко-термічна обробка стали

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називається процес поверхневого насичення стали різними елементами з метою додання їй відповідних властивостей. Вона відрізняється від інших видів термічної обробки тим, що при цій обробці окрім структурних змін відбуваються зміни складу і будови поверхні за рахунок дифузії в неї елементів в атомарному стані із зовнішнього середовища при високих температурах. Основна мета - зміцнення поверхні деталей, підвищення твердості, зносостійкості, уста-лостной міцності і т.п. і підвищення стійкості проти дії агресивних середовищ. До процесів хіміко-термічної обробки відносяться цементація, азотування, ціанування, алітірованіє, хромування, силициро-вание,борирование і ін.
ХТО характеризується трьома одночасно протікаючими процесами. Перший процес - дисоціація - полягає в розпаді молекул і утворенні діффунді-рующего елементу в атомарному стані.
Другий процес, званий абсорбцією, є взаємодія атомів діффундірующего елементу з поверхнею вироби і проникнення їх в грати заліза. Третій процес - дифузія полягає в проникненні атомів насиченого елементу в глиб металу.
Розглянемо стисло деякі види хіміко-термічної обробки.
Цементацією називається процес насичення поверхні виробу вуглецем. Мета цементациі-пріданіє поверхні твердості при збереженні м'якої серцевини. Звичайно цементації піддають деталі з нізкоуглеродістой сталі, що містить не більше 0,25 % З (сталь марок 10, 15, 20, А 12, 15Х, 25ХГМ і ін.), що працюють в умовах змінних ударних навантажень і піддаються зносу, наприклад зуби автомобільних зубчатих коліс, шестерні, втулки, поршневі пальці і т.д. Температура цементація 900...970?С. Товщина цементован-ного шару від 0,1 до 3...4 мм.
Азотуванням називають процес насичення стали азотом. Мета азотування - додати поверхні високу твердість, зносостійкість, стійкість проти корозії і втомну міцність. Процес полягає в дії на сталь аміаку (газове азотування) при температурі 500...600?С. Образовашийся вільний азот, що знаходиться в атомарному стані, впливає на сталь і утворює з елементами, що входять в її склад (Сг, Ре, А1 і ін.), різні нітріди, що володіють високою твердістю (до НRС 70). Азотований шар зберігає свою твердість до 400...600?С, тоді як твердість цементованого шару з мартенситной структурою зберігається лише до 200...250?С. Товщина азотованого шару 0,25...0,75 мм
Ціануванням називають насичення поверхні виробів одночасно вуглецем і азотом в розплавлених ціаністих солях при температурі 820...950?С.
Розрізняють низькотемпературне і високотемпературне ціанування. При низькотемпературному цианирова-нді деталі нагрівають до 820...860 ?С у розплавлених солях, що містять МАСМ, протягом 0,5..1,5 ч. при цьому одержують шар товщиною 150...350 мкм. Потім проводять гарт безпосередньо з температури ціанування з подальшою низькотемпературною відпусткою (180... ...200?С). Твердість після термічної обробки складає Н^С 58...62. Такій обробці звичайно піддають деталі з среднеуглеродістих сталей і інструменти з швидкорізальних сталей.
Для отримання товщого шару (500.. .2000 мкм) застосовують високотемпературне ціанування при 930... ...950?С з часом витримки 1,5...6 ч. Після такої обробки деталі охолоджують на повітрі, проводять гарт і низькотемпературну відпустку. Недоліком цього процесу є токсичність ціаністих солей. Це викликає необхідність проводити роботу в спеціальному приміщенні з дотриманням заходів безпеки.
Нітроцементация є процес насичення поверхневого шару одночасно вуглецем і азотом в газовому середовищі азоту 40 %, водню 40 % і оксиду вуглецю 20 % при температурі 850...870 ?С протягом 4...10 ч. Назначеніє-повишеніє зносостійкості, межі витривалості при вигині, твердості і корозійній стійкості.Після гарту і низької відпустки (160...180?С) твердість поверхневого шару складає НRС 58...60 і товщина шару 0,2...0,8 мм; вони залежать від температури і часу витримки.
Нітроцементацию широко використовують в автомобільному і автотракторному виробництві. Нітроцементация має певні переваги в порівнянні з газовою цементацією - нижча температура процесу, зниження деформації і викривлення і ін.
Борірованіє полягає в насиченні поверхневого шару виробів з нізко- і среднеуглеродістих сталей 20, 40, 40Х, ЗОХГС і інших бором при нагріванні в боросодержащей середовищі. Борірованіє застосовують для підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості і окаліностойкості важко навантажених деталей (нафтове устаткування, штампи, прес-форми і ін.). Процес проводиться при температурі 850...950?С протягом 2...6 ч. Поверхневий шар складається з бориду, товщина шару 0,1...0,2 мм, твердість його НУ 1800...2000.
Дифузійна металізація - процес дифузійного насичення поверхні сталевих деталей металами з метою додання їх поверхні жаростійкості, корозійної стійкості, твердості, зносостійкості і ін. Дифузійна металізація може здійснюватися в твердих, рідких і газоподібних середовищах. Для твердої Дифузійної металізації використовують феросплави з додаванням хлористого аміаку (0,5...5 %). Рідку дифузійну металізацію проводять, занурюючи деталі в розплавлений метал (А1, 2п і ін.). Газову дифузійну металізацію проводять в газових середовищах • хлоридах різних металів. Поверхневе насичення проводиться при температурах 900...1200 ?С. Останнім часом застосовують і багатокомпонентне насичення поверхні стали (два і більше компонентів).
Розглянемо стисло найбільш часто вживані процеси дифузійної металізації.
Силіцированіє-термодіффузіонноє насичення поверхні виробу кремнієм з метою підвищення корозійної стійкості, жаростійкості, зносостійкості і кислотостійкості матеріалів в агресивних рідких і газових середовищах. Силіцированіє застосовують, наприклад, для кубел клапанів, вкладишів підшипників, роторів водяних насосів, сорочок циліндрів, трубопровідної арматури, труб суднових механізмів і ін.
Алітірованіє - процес насичення поверхневого шару стали алюмінієм для підвищення окаліностойкості (жаростійкості), корозійній і ерозійній стійкості стали, чавунів і мідних сплавів. Алітірованіє здійснюють в порошкоподібних сумішах, у ваннах з розплавленим алюмінієм, в газовому середовищі і розпилюванням рідкого алюмінію. Найбільшого поширення набуло алітірованіє в порошках, з насиченням з газової фази. На поверхні утворюється щільна плівка оксиду алюмінію (А120з), що оберігає від окислення алітірованниє виробу. Алітірованіє проводять при 950... ...1050?С протягом 3...12 ч. Товщина шару складає в середньому 0,2...0,8 мм.
Зокрема, алитируют чохли термопар, деталі розливних ковшів, клапани і інші вироби, що працюють при високих температурах. Слід зазначити, що при використанні вакуумного алітірованія можна одержувати покриття високої чистоти.
Хромування - процес насичення поверхневого шару стали хромом, при цьому підвищується корозійна стійкість, твердість і зносостійкість. Найбільше застосування одержало хромування в порошкоподібних сумішах феррохрома або хрому, хлористого амонія і оксиду алюмінію. Хромування проводиться при 1000... ...1050?С протягом 6...12 ч. Товщина одержуваного шару не більше 0,2 мм. Хромують звичайно нізкоуглеродістиє стали: структура шару складається з твердого розчину хрому в а - залозі і містить 30...40 % хрому. При хромуванні середньо- і високовуглецевої сталі одержуваний шар складається з карбідів хрому. Хромуванню піддають клапани компресорів, матриці штампів для холодної висадки і ін.
Цинкування найбільш широке використовується в техніці. На частку цинкових покриттів припадає близько 60 % від загальної поверхні металевих покриттів. Цинкові покриття добре захищають залізо і його сплави від корозії на повітрі і у воді. Товщина цинкового покриття 6...36 мкм залежить від умов експлуатації виробів. Оцинковані листи і смуги застосовуються в житловому будівництві (крівля, водостічні труби), для виготовлення місткостей, в автомобільному і залізничному транспорті і ін.
Контроль якості термічної і хіміко-термічної обробки включає післяопераційний контроль всіх деталей в процесі обробки по твердості, структурі і глибині обробленого шару. Особлива увага при термічній обробці слід обернути на дефекти деталей (тріщини, викривлення і т. д.). Контроль дрібних тріщин в загартованих деталях проводять методом магнітної або рентгенодефектоскопії. Зокрема, цей метод використовується для контролю пружин, ресорних листів, деталей управління автомашин і ін. Деякі види браку цементованних деталей, наприклад недостатня товщина шару або понижений вміст вуглецю на поверхні, можуть бути виправлені шляхом додаткової хіміко-термічної обробки по спеціальному режиму.
При термічній і хіміко-термічній обробці слід строго дотримуватися інструкцій по охороні праці. Особливу увагу треба звернути на обслуговування печей, що працюють на газовому і електричному нагріві. При обслуговуванні електричних печей основну увагу потрібно звернути на виконання правил електробезпеки. Робочі місця повинні бути забезпечені інструкціями по техніці безпеки, охороні праці і експлуатації установок електроустаткування. Робітники, що не пройшли інструктаж, до роботи не допускаються.
Заходи щодо охорони навколишнього середовища при термічній і хіміко-термічній обробці багато в чому схожі із заходами, що проводяться в металургійному виробництві. Особлива увага приділяється при цьому уловлюванню і знешкодженню газів, що виділяються при проведенні ХТО.

ЗМІЦНЕННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. НОВІ ПЕРСПЕКТИВИ В МАШИНОБУДУВАННІ.

Досягнуто багатократного збільшення зносостійкості і терміну служби машин при зниженні їх собівартості. Надійні механізми не вимагають тепер застосування дорогих високоміцних сплавів і складних технологій обробки. Ефект досягається нанесенням тонких (0,1-10 мкм) (оптимальна товщина!) зносостійких покриттів на робочі поверхні деталей, виконаних з дешевих матеріалів. Зносостійкість подібних деталей може бути вищою, ніж виготовлених із спеціальних сплавів. Основний технологічний процес виготовлення деталей залишається незмінним. Додається тільки процес нанесення покриття, а його мала товщина не вимагає зміни величини допусків на розміри деталей.

У чому відмінність (революційність) нових розробок.
Покриття і що зміцнюють шари давно застосовуються в машинобудуванні (азотування і карбідізация поверхні деталей, нанесення зміцнюючих покриттів і т.п.). Відомі способи зміцнення збільшують зносостійкість виробів в 1,5-3 рази. Але ці результати вже не задовольняє машинобудівників. Потрібна зміна властивостей в десятки, сотні і тисячі разів. Стали застосовуватися надміцні сплави, міцність яких вище за міцність інструментальних матеріалів. Унаслідок чого виникла проблема з обробкою деталей з цих сплавів. Але вже зараз потрібні ще міцніші матеріали. Якщо ми хочемо відмовитися від спеціальних сплавів, такими ж міцними (і навіть міцнішими) повинні бути деталі із звичайних конструкційних матеріалів, але з дуже міцним покриттям.
Чи можливо, щоб властивості деталі, виготовленої із стандартної конструкційної сталі, змінилися тільки за рахунок покриття в сотні разів. Що це можливо, неодноразово продемонстровано на промислових виробах. Це вже не одиничні лабораторні екземпляри. Такі деталі працюють, і є реальна можливість їх подальшого вдосконалення. Не виключається нанесення покриттів і на надміцні сплави для подальшого їх поліпшення. Новий сплав важко і дорого створювати, а за допомогою покриття можна просто і швидко досягти потрібного результату.
Щоб одержати гранично міцні покриття, необхідно використовувати всі можливості. Ось деякі з них:
1.Потрібні багатошарові композиції, що складаються з безлічі надтонких (25-50 ангстремів) суцільних шарів (двовимірні системи); суцільний шар при традиційних технологіях утворюється при товщині 400-500 ангстремів.
2. При синтезі необхідно підтримувати близьку до кімнатної температуру конденсації, яка забезпечить отримання наддрібного зерна і запобіжить "розповзанню" надтонких шарів за рахунок дифузії.
3. Використовувати прийоми, що дозволяють зберегти аномально високі прочностниє властивості тонких шарів в товстій композиції.
4. Застосовувати тверді (Hv близько 2500 кг/мм2) надпружні ("резіноподобниє") матеріали (слід від алмазної піраміди після вимірюванні твердості не має глибини).
5. Розшаровувати надтверді шари надпластичним матеріалом, що забезпечує стік дислокацій з твердого шару.
6. Реакція між металом і легуючим газом повинна відбуватися переважно в зоні синтезу матеріалу, а не на катоді або в проміжку між катодом і підкладкою.
Вживаний спосіб отримання покриттів повинен дозволяти робити багатошарові композиції з надтонких шарів і використовувати всі перераховані можливості. Дослідження показали, що жоден з існуючих способів отримання покриттів не задовольняє повністю всім необхідним вимогам.
Таким чином, істотний ефект від тонкопленочного зміцнення може бути одержаний тільки з покриттями, володіючими дуже високими фізичними (прочностнимі) властивостями. Повною мірою цій вимозі відповідають тільки покриття, виготовлені за технологією КІНТ (конденсація з іонним бомбардуванням низькотемпературна), спеціально для цього розробленою. Технологія дозволяє синтезувати матеріали при кімнатній температурі підкладки і змінювати необхідні властивості покриттів в сотні і більше разів. При цьому експлуатаційні властивості деталей теж змінюються в сотні разів. Покриття КІНТ не погіршують свої властивості з часом. Технологічні установки для цієї технології відрізняються невисокою вартістю, простотою обслуговування і високою продуктивністю.
Проведені в НІІТавтопроме дослідження зміцнених деталей і подальші розрахунки показали, що збільшення традиційними методами ресурсу двигуна внутрішнього згорання в 2 рази супроводжується збільшенням його собівартості в 6 разів (за рахунок застосування дорожчих матеріалів). Технологія КІНТ дає можливість збільшити ресурс в 5 разів при збільшенні собівартості на 20%. Якщо цей же двигун спеціально спроектований з урахуванням технології зміцнення, то збільшення ресурсу в 10 разів можливе при зниженні собівартості на 20%. Пов'язано це із заміною дорогих і дефіцитних матеріалів на доступні, але з покриттям. Зараз результати можуть бути вагомішими.
Які незвичайні по властивостях матеріали вже одержані. Якщо говорять, що покриття виконане з нітріда титану, нітріда молібдену і т.п., то це ще нічого не значить, тому що таке покриття може володіти абсолютно різними властивостями, що відрізняються (залежно від технології отримання) в сотні разів. Нітрід молібдену може мати мікротвердість від 300 до 7500 кг/мм2 (майже таку ж, як у штучного алмазу). Особливо відрізняються за властивостями композиційні покриття, що містять тисячі абсолютно різних шарів (монослойниє покриття застосовуються зараз тільки в старих, традиційних технологіях). Існують покриття з аномальними властивостями, одержати які за допомогою традиційних технологій взагалі неможливо (з підвищеною теплопровідністю і підвищеною мікровтомною міцністю, надтверді, з низьким коефіцієнтом тертя, "резіноподобниє" і т.п.).
Є матеріали з твердістю істотно вище, ніж у алмазу і матеріали, що підвищують абразивну зносостійкість деталей, що працюють в піску або в запиленій атмосфері в сотні разів. Мікровтомна міцність матеріалу покриття може бути збільшена в сотні разів. Найбільший інтерес представляють надпружні ("резіноподобниє") покриття. Абразивна зносостійкість деталей з цими покриттями в порівнянні з традиційними монолітними матеріалами вище в 1000 і більше разів.
Проектування покриттів
Вперше з конструкцією і проектуванням покриттів ми зіткнулися при розробці технології зміцнення кілець дизеля. Потрібно було збільшити ресурс дизеля, який обмежувався стійкістю верхніх, жарових кілець. Нанесли на кільця тверде покриття. Знос кілець припинився, але почала посилено зношуватися гільза. Поверх твердого шару нанесли тонкий м'який шар. Знос гільзи зменшився більш ніж на порядок, але двигун заклинило, оскільки в місці контакту кільця з гільзою зросла температура і кільце розширилося. Ввели в покриття тверде мастило. Нагрів припинився, але порушилося мастило поверхні гільзи. Збільшили шорсткість поверхні кільця, і двигун почав нормально працювати. Якщо раніше за час гарантійного ресурсу двигуна знос кільця складав 120 мкм, то тепер став всього 4 мкм. Одночасно істотно зменшився знос гільзи.
При проектуванні покриттів використовуються як мікро-, так і макрошари. Виявилось, що потрібно зміцнювати тільки одну деталь в парі, що треться. Якнайтонший, в декілька мкм, м'який пластичний шар на поверхні твердого покриття збільшує його зносостійкість у декілька разів. Одночасно припиняється знос контртіла твердим шаром. (Той же ефект, як при точінні м'якого алюмінію напилком: ріжучі виступи на напилку забиваються м'яким металом, і точіння алюмінію припиняється).
Істотне значення мають властивості перехідних шарів між основою і покриттям і між шарами в покритті. Якщо ці шари виконані з надпластичного матеріалу, відбувається стік дислокацій з твердого шару в ці шари, що забезпечить високу міцність і стабільність покриття. Тверде мастило можна вводити навіть в надтверді покриття, твердість яких вище за твердість алмазу. В цьому випадку одержаний найнижчий коефіцієнт тертя - менше 0,001.
Особливості впровадження нової технології.
Не дивлячись на вражаючі результати досліджень покриттів і деталей з цими покриттями, розробки упроваджуються дуже поволі. Причина - висока зносостійкість деталей машин і інструменту з новими покриттями.
У зв'язку з відсутністю твердого сплаву направляючі ролики для канатонавівочной машини були виготовлені із загартованої вуглецевої інструментальної сталі. Ролики вийшли з ладу за одну зміну. Ті ж ролики, зміцнені надпружним нітрідом титану, використовувалися більше трьох років і ще залишаються працездатними. За час експлуатації роликів помінялася дирекція заводу і обслуговуючий машини персонал. На заводі вже забули, звідки узялися ці ролики, і що робити, коли вони вийдуть з ладу.
На фабриці, що випускає трикотаж, забули замовити наступного року голки для в'язальної машини. Залишався всього один комплект, якого вистачало на місяць роботи машини. Після нанесення покриття голки залишалися “в строю” ще три роки.У середині 2001 року на машинобудівний завод була передана на випробування партія зміцненого інструменту. Випробування повинні були закінчити до грудня того ж року. Зараз 2003 рік, а випробування інструменту все ще продовжуються. У різних умовах роботи інструменту одержані далеко не однакові результати. Збільшення стійкості складає від 2,5 до 80 разів. Щоб одержати однакові результати, проходиться підбирати покриття з потрібними властивостями для кожного виду інструменту. Чим ближче за властивість інструменту наближаються до оптимальних, тим долше доводитися чекати відповіді. Біда в тому, що ці ?небольшие“ дослідження затягуються на роки. Справа йде ще гірше, коли доводиться гарантувати працездатність машин протягом багатьох років експлуатації (лопатки парових турбін і компресорів авіаційних двигунів, гіроскопи і т.п.)

Статистика Реклама