Триботехнологии в реновации

      Среди всего многообразия методов упрочнения высокой эффективностью и простотой реализации отличаются деформационные методы – обработка поверхностным пластическим деформирование. Эти методы позволяют полнее реализовать потенциальные свойства как углеродистых, так и высокопрочных сталей, создают реальные возможности их применения для деталей с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений.

      При ППД: отсутствуют термические дефекты  и шаржирование обрабатываемой поверхности абразивом; обеспечивается минимальная шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей и большой долей опорной площади; создаются сжимающие остаточные напряжения, плавно и стабильно повышается микротвердость поверхностного слоя по глубине 1...3 мм. Повышение микротвердости поверхностного слоя может достигать 150%. При обеспечении требуемой шероховатости основное влияние ППД на несущую способность деталей проявляется через наклеп и остаточные напряжения.

      ППД – одно из наиболее применяемых и изученных направлений в технологии и в триботехнологии машиностроения. Повышение прочности конструкций (поверхностей) пластическим деформированием проводится для участков материала, наиболее нагруженных в рабочем состоянии. Выбор метода деформационного упрочнения зависит от марки обрабатываемого материала, требований к свойствам поверхностного слоя, формы и размеров деталей и эксплуатационных условий.

      Рассмотрим  некоторые из них:

      Дробеструйная обработка – упрочнение микрошариками (дробью). Данный метод нашел достаточно широкое применение в отдельных отраслях промышленности, например в авиадвигателестроении, в случаях упрочнения тонкостенных деталей, маложестких деталей сложной формы, с тонкими кромками, глубокими пазами, малыми радиусами переходов и др.

      Дробеструйная обработка выполняется в пневмо-, гидро- и пневмогидродробеструйных установках. В основе процесса лежит пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинетической энергии потока дроби (стальными шариками).

      Дробеструйная обработка способствует повышению  усталостной прочности за счет устранения концентраторов напряжения: места прилегающие к отверстию при его формировании, радиусы переходов, канавки, галтели, поднутрения, заусенцы и др.

      Упрочнение  раскатыванием. По принципу исполнения, технологическим режимам и характеру используемого инструмента тора, определяющего возможность применения раскатывания, является диаметр отверстия. Как правило, он должен быть не менее 30 мм.

      Раскатывание  производят на токарных, расточных или сверлильных станках; частота вращения шпинделя колеблется в пределах 100...400 мин-1; подача 0,1...0,3 мм/об, число проходов 1-2, СОТС − масло индустриальное И-12А, И-20А, натяг 0,01...0,15 мм (разность диаметров инструмента и отверстия до обработки).

      Применение  раскатывания целесообразно во всех видах производств; это обусловлено тем, что упрочнение детали, достижение требуемой точности и класса чистоты осуществляется при меньших затратах, чем при других видах обработки. Раскатывание роликами и шариками успешно применяют при обработке корпусных деталей агрегатов, гидро- и пневмоцилиндров двигателей, плунжерных пар и других деталей.

      Способ  дорнования применяют в случае малых диаметров, когда раскатывание применить невозможно: через отверстие протягивают инструмент в виде шара или дорна. Диаметр инструмента несколько больше диаметра детали. Основным параметром, определяющим процесс обработки, является натяг. Величины натяга зависят от материала и конструкции детали, величины требуемого упрочнения, конструкции инструмента.

      Пример  дорна и его геометрические характеристики показаны на рисунке 3 [2].

      Рисунок 3 – Комбинированные режуще-деформирующие дорны 
 

      3.2 Напыление износостойких покрытий

      В настоящее время технологии напыления  доведены до достаточно высокого технического уровня. В качестве напыляемого материала могут использоваться практически все материалы, существующие в твердом виде, которые в процессе напыления не испаряются и практически не изменяют свои физико-химические свойства.

      Напыляемые материалы применяют в виде проволоки, прутков и порошка. Проволоку и прутки применяют при газовом, дуговом и электроимпульсном напылении; порошки – при плазменном, газоплазменном, детонационном напылении.

      Напыление состоит в образовании покрытия путем динамического осаждения на основном материале расплавленных или оплавленных капель или частиц напыляемого материала, образующего при нагреве порошка, расплавленной проволоки или прутка различными источниками нагрева. Разнообразие способов напыления обеспечивает получение покрытий, значительно отличающихся по своим свойствам. На процессы напыления оказывают влияние следующие факторы: метод и технология напыления; скорость и температура напыляемого материала; размеры и форма частиц напыляемого порошка, диаметр проволоки или прутка; плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность напыляемых материалов, степень их расплавления; химические реакции между частицами напыляемых материалов и окружающей среды, их химическая активность по отношению к материалу основы и др.

      Любой способ напыления предполагает движение нагретых до жидкого состояния частиц в газовой струе от среза сопла горелки до поверхности основного материала.

      В зависимости от источника тепловой энергии, используемой для нанесения покрытия, различают две технологические разновидности напыления:

      - источником тепловой энергии  служит смесь горючего газа  и кислорода;

      - источником тепловой энергии  служит электрический ток.

      К 1-й группе относятся газопламенное  и детонационное напыление, ко 2-й – электродуговое, высокочастотное и плазменное напыления.

      Газопламенное (газотермическое) – нанесение покрытия в виде мелких частиц расплавленного металла, керамики, пластмассы и др. струей газа из специальной горелки. Напыление применяют для повышения износостойкости деталей металлорежущих станков: направляющих станин, валов, различных конструкций; деталей автомобильных двигателей, например, чугунных коленчатых валов. Толщина покрытия до 3 мкм, твердость поверхности выше твердости исходного материала, пористость около 15%.

      Основными достоинствами нанесения покрытия газопламенным методом являются: высокая производительность процесса (до 10 кг/ч); низкая стоимость и портативность используемого оборудования. Недостаток – поверхностный слой не выдерживает ударных нагрузок и разрушается при объемной деформации детали.

      Плазменное  напыление применяют в химическом и нефтяном машиностроении для защиты поверхностей трения (узлы специальной арматуры, гильзы, плунжеры насосов и др.) от гидроабразивного, эрозионного, эрозионно-абразивного и коррозионного изнашивания.

      Плазменное нанесение покрытий из тугоплавких порошковых материалов осуществляется плазменной струей с помощью специальной горелки – плазмотрона. Прочность сцепления покрытия 40...50 МПА, твердость 34…67 НRCэ, износостойкость при работе со смазочным материалом в 1,5...2 раза выше исходного материала.

      Детонационное напыление – нанесение покрытия (металла, керамики и др.) за счет выбрасывания его из открытого сопла специальной установки.

      Схема детонационного напыления показана на рисунке 4 [1]

1-сопло для подачи кислорода; 2- водоохлаждаемый ствол; 3- камера сгорания; 4- сопло для подачи ацетилена; 5- основной материал(подложка); 6- сопло для подачи в камеры сгорания карбида вольфрама с азотом; 7- покрытие 

      Рисунок 4 – Схема детонационного напыления 

      В камеру водоохлаждаемого ствола установки  диаметром подается кислород и ацетилен в строго определенных количествах; ствол направляется на обрабатываемую деталь (а). Затем через специальное отверстие в камере азотом подается порошок напыляемого материала, например карбид вольфрама с добавлением небольшого количества металла, оксид алюминия и т. п. (б). Газовую смесь, в которой во взвешенном состоянии находится напыляемый, порошок, поджигают электрической искрой (в). В результате взрыва смеси происходит выделение теплоты и образуется ударная волна, которая разогревает и разгоняет частицы порошка в направлении к поверхности изделия (г).

      Азот  и горючий газ выходят из ствола установки сразу же после взрыва, затем ствол продувается азотом для удаления продуктов горения. Процесс отрегулирован таким образом, что точно повторяется с частотой 3–4 цикла в секунду. За один цикл напыления получают покрытие толщиной ~6 мкм. Напыление осуществляют до получения покрытия заданной толщины (0,25...0,3 мм). 

      3.3 Плакирование

      Плакирование  – метод нанесения покрытий за счет механических и термомеханического воздействия на два или более соединяемых материалов. Чаще всего плакирование распространяется на металлы и их сплавы. Плакирование реализуется за счет взрыва, прокатывания, экструзии. Так получают би- и триметаллы в виде ленты, листа, полос, проволоки, труб и других изделий простой геометрической формы и таким же образом наносят различные защитные, антифрикционные покрытия на детали машин.

      Соединению в слоистые композиционные материалы могут быть подвергнуты различные металлы и сплавы. Так, например, стали можно плакировать Zn, Mg, Al, Ni, Ta, Ag, Nb, Cu и сплавами меди.

      Метод создания толстослойных покрытий применяется  при изготовлении деталей или при восстановлении их формы после изнашивания. При этом толщина слоя может составлять несколько миллиметров. Плакирование также используется при изготовлении элементов скользящих электрических контактов в целях экономии дорогостоящих материалов с высокими показателями электропроводности, чаще серебра.

      Толстослойные покрытия часто наносятся методом  прокатки. Сцепление слоев осуществляется за счет диффузии, стимулируемое высокой температурой. Применяется также диффузионная и контактная сварка, наплавка, припаивание и другие способы. Часто наносятся слои из порошковых металлов и керамики. Слои спекаются в конвейерных печах и прокатываются вместе с основным металлом в горячем состоянии.

      Суспензии (смеси порошков с летучими жидкостями с добавлением клеящего вещества) могут наносится по способу шликерного литья. Затем детали просушиваются. На поверхности образуется слой ровной толщины, удерживаемый клеем.

      Детали  помещаются в печь, клей выгорает, а  наносимый материал (порошок или смеси из порошков) припекается к основе. Образуется пористое твердое покрытие, которое затем может пропитываться необходимым по функциональному назначению материалом, например фторопластом, эпиламами. 

      3.4 Лазерное упрочнение

      Этот  метод включает термическую обработку, поверхностное легирование, плакирование и аморфизацию с помощью лазерного луча. В отличие от большинства других методов лазерное упрочнение отличается высокой степенью локальности. При этом твердость поверхности, обработанной лучом лазера на 15…20% выше по сравнению с твердостью при обычной термообработке. Лазерная обработка позволяет упрочнять поверхности любой конфигурации [3].

      Термическая обработка лучом лазера основана на мгновенном нагреве микрообъема металла до температур, при котором возникают фазовые превращения, сопровождающиеся очень высокими скоростями охлаждения. В поверхностном слое обрабатываемого металла при этом формируется закалочная зона высокой твердости и износостойкости.

      Лазерному легированию поверхности детали предшествует подготовительная операция. На обрабатываемую поверхность наносят легирующий материал: накатыванием фольги, электролитическим осаждением, плазменным напылением, электроискровым легированием и др.

      Лазерное  плакирование заключается в расплавлении лазерным лучом предварительно нанесенного на поверхность детали материала, который растекаясь по ней и быстро кристаллизуется. Предварительное нанесение металлических материалов осуществляется газотермическим напылением. Окончательная обработка лучом лазера позволяет получать износостойкие слои, в которых содержание основного металла не превышает 5%. Этим способом наносят износостойкие слои сплавов на рабочие поверхности зубчатых колес, валов, кулачков, поршневых колец, клапанов и т.п.

      Лазерное  упрочнение поверхностей деталей применяют  в автомобилестроении, дорожно-строительном и сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях. Лазерному упрочнению подвергают валки прокатных станов и блюмингов, штампов и др. Показатели долговечности лемехов плугов, ножей, дисковых культиваторов и деталей почвообрабатывающих машин при их лазерном легировании повысились в 2 и более раза.