Повышение износостойкости деталей машин технологическими методами

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.)

 

Технологические методы повышения износостойкости деталей 
 
Полетаев В.А.

 

В задачи технологии входит:

а) получение материалов и заготовки заданных свойств;

б) изготовление детали требуемой  формы и надлежащей точности;

в) упрочнение рабочих  поверхностей деталей;

г) их сборка в агрегаты, испытание узлов и машин.

1 Постановка  задачи обеспечения качества  поверхностного слоя

Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя и долговечности деталей  машин упрочнением показаны на рис.1.1.

Рис.1.1 Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя обработкой ППД.

Традиционным является подход, устанавливающий связь режима обработки с эксплутационными свойствами упрочняемой детали (1-5). Недостаток такого подхода в том, что выявленные закономерности не являются справедливыми для других условий. Поэтому при переходе к новому изделию возникает необходимость в повторении трудоемких исследований.

Более обобщенным является обеспечение долговечности детали в две стадии:

На первой (путь 1-3) устанавливается  связь технологических факторов с параметрами состояния поверхностного слоя.

На второй (3-5)- влияние  этих параметров на эксплуатационные характеристики деталей.

Однако оба подхода  имеют основной недостаток- эмпирический путь решения задачи, а следственно, связанные с этим: 1- большую трудоемкость экспериментов, 2- ограниченное число исследований параметров состояния поверхностного слоя, 3- невысокую точность ( в пределах точности метода измерения) их определения.

Эмпирический путь не позволяет использовать ЭВМ для  моделирования и технологического проектирования механической обработки  деталей с оптимизацией параметров состояния их поверхностного слоя, обеспечивающих заданную долговечность.

Более эффективный подход к технологическому обеспечению  эксплуатационных показателей деталей, который базируется на внутренних закономерностях  процесса формирования поверхностного слоя в очаге деформации (пути 1-2 и 2-3). Раскрытие таких закономерностей позволит глубже определить влияние параметров состояния поверхностного слоя на процесс разрушения детали (3-4) и эксплуатационные показатели (4-5).

Повышение сопротивления  детали разрушению при различных  видах эксплуатационного нагружения может быть достигнуто технологическими методами объемного или поверхностного упрочнения. Объемное упрочнение повышает статическую прочность деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Для таких деталей используют высокопрочные стали и сплавы, композиционные материалы. Однако большинство деталей работает в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем. Поэтому износостойкость, зарождение и развитие усталостной трещины, возникновение очагов коррозии зависит от сопротивления поверхностного слоя разрушению. Для деталей, разрушение которых начинается с поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных не нанесении покрытий или изменения состояния (модификации) поверхности.

При нанесении покрытий упрочнение деталей достигается  путем осаждения на нее поверхности  материалов, которые по своим свойствам  отличаются от основного металла, но наиболее полно отвечают условиям эксплуатации (износ, коррозия, химическое воздействие и т.п.).

При изменении состояния (модификации) поверхностного слоя происходит физико-химическое изнашивание в  металле, повышающее его сопротивление разрушению. Модифицирование поверхностного слоя может осуществляться деформационным упрочнением (ППД), поверхностной термообработкой, диффузионным нанесением легирующих элементов.

Не существует универсального метода упрочнения деталей, т.к. один и тот же метод в одних условиях эксплуатации может дать положительный эффект, а в других отрицательный. Поэтому в ряде случаев применяют комбинированное упрочнение деталей, основанное на использовании двух или трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное эксплуатационное качество.

Кроме того, выбор того или иного метода поверхностного упрочнения определяется экономическими соображениями.

2 Классификация  методов отделочно-упрочняющей обработки  деталей машин

Все известные методы упрочнения подразделяются на 6 основных классов:

1. упрочнение с образованием пленки на поверхности;
2. с изменением химического состава поверхностного слоя;
3. с изменением структуры поверхностного слоя;
4. с изменением энергетического запаса поверхностного слоя;
5. с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом;
6. с изменением структуры по всему объему материала.

2.1 Упрочнение  с созданием пленки на поверхности

а) осаждение химической реакции (оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы).

б) осаждение из паров (термическое  испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение).

в) электролитическое осаждение (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование).

г) напыление износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов).

2.2 Упрочнение  с изменением химического состава  поверхностного слоя металла

а) диффузионное насыщение (борирование, цианирование, азотирование, нитроцементация и т.п.)

б) химическое и физико-химическое воздействие (химическая обработка, ионная имплантация, электроискровая обработка  и т.д.).

2.3 Упрочнение  с изменением структуры поверхностного  слоя

а) физико-термическая  обработка (лазерная закалка, плазменная закалка);

б) электрофизическая обработка (электроконтактная, электроэрозионная, магнитная обработка);

в) механическая (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая);

г) наплавка легированным элементом (газовым  пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов и т.д.).

2.4 Упрочнение  с изменением энергетического  запаса поверхностного слоя

а) обработка в магнитном  поле (термомагнитная обработка, импульсным магнитным полем, магнитным полем);

б) обработка в электрическом  поле.

2.5 Упрочнение  с изменением микрогеометрии  поверхности и наклепом

а) обработка резанием (точение, шлифование, сверхскоростное  резание);

б) пластическое деформирование (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т.д.);

в) комбинированные методы (анодно-механическая, поверхностное легирование с  выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых колебаний, магнитно-абразивная обработка и т.д.).

2.6 Упрочнение  с изменением структуры всего  объема металла

а) термообработка при  положительных температурах (закалка, отпуск, улучшение, закалка ТВЧ, нормализация, термомагнитная обработка);

б) криогенная обработка (закалка с  обработкой холодом, термоциклирование).