Підвищення зносостійкості деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

зношування деталь гідроабразивний композиційний

В сучасному машинобудуванні на Україні спостерігається інтенсивне підвищення потреби в технологіях відновлення функціональних здібностей деталей машин і механізмів за допомогою нанесення зносостійких покриттів. У зв'язку з цим набувають особливої актуальності сучасні ремонтно-відновлювальні технології, які дозволяють відновлювати робото здатність деталей машин безпосередньо у виробничих умовах експлуатації цих машин.

Одним з напрямків сучасних ремонтних технологій для відновлення розмірів і функціональних властивостей зношених деталей, є використання різних технологічних методів, основи яких базуються на формуванні покриттів з зносостійких композиційних матеріалів. Зазвичай такі матеріали застосовуються при відновленні деталей машин, які вийшли з ладу або втратили свої експлуатаційні властивості внаслідок зношування робочих поверхонь. У таких випадках відновлення зношених деталей шляхом нанесення зносостійких покриттів, найчастіше більш доцільно, ніж їх заміна на нові, так як їх нормативний ресурс ще не вичерпаний повністю. Проте, для вибору типу покриттів зазначеного призначення і способу нанесення необхідно обґрунтувати вимоги до їх зносостійкості і фізико-механічними властивостями з урахуванням особливостей умов експлуатації, а також властивостей матеріалу самого відновлюваної деталі. Одним з найбільш підходящих в розглянутому випадку типів покриттів є покриття, що формуються на основі композиційних металополімерних або детонаційних покриттів.

На підставі викладеного можна зробити висновок, що розглянута тема, яка полягає в обґрунтуванні ефективності відновлення спрацьованих деталей машин за допомогою нанесення металополімерних і детонаційних композиційних покриттів, є актуальною науковою проблемою.

Мета дослідження - підвищення зносостійкості деталей машин, вузлів тертя. Формуванням композиційних покриттів на основі закономірностей впливу зовнішніх факторів на їх триботехнічні характеристики.

Для досягнення поставленої мети повинні бути вирішені наступні завдання:

* встановити причини пошкодження деталей машин вузлів тертя та визначити провідні види зношування.

* провести аналіз технологічних методів відновлення деталей вузлів тертя і обґрунтувати вибір композиційних покриттів для даних умов тертя.

* встановлення закономірностей впливу зовнішніх факторів (тиску, середовища, шляху тертя) на триботехнічні характеристики композиційних покриттів.

* аналітично дослідити напружений стан абразивних частинок, що знаходяться між тертьовими поверхнями і його вплив на процеси тертя та зношування.

* побудувати математичні моделі контактної взаємодії абразивної частинки з урахуванням зношування деталі з покриттям.

* встановити механізм зношування композиційних покриттів в умовах тертя ковзання в присутності вільного абразиву.

Об'єкт дослідження - процес поверхневого зміцнення та відновлення пар тертя деталей машин, нанесенням металополімерних покриттів.

Предмет дослідження - закономірності формування триботехнічних характеристик композиційних покриттів.

Методи дослідження в рамках магістерської роботи були наступними:

- оптична мікроскопія, гранулометрия, методи трибологічних і механічних випробувань матеріалів;

- математичні методи апроксимації емпіричних залежностей,

- технологічні методи металопластики і детонації.

Публікації. Результати дослідження викладені в - доповідях та тез в працях наукової конференцій НТУ [26].

1. Сучасний стан проблеми та завдання дослідження

1.1 Абразивне зношування і його основні закономірності

Під абразивним зношуванням розуміють процес механічного руйнування поверхонь деталей в результаті ріжучого або дряпає дії твердих тіл або частинок, що знаходяться в закріпленому, наполовину закріплених або вільному стані.

Цей процес в чистому вигляді зустрічається рідко, зазвичай він являє собою складову змішаного зношування, коли поєднується кілька процесів. Так, наприклад, в чистому вигляді процес абразивного зношування спостерігається при шліфуванні матеріалів, роботі плуга, ковша екскаватора і ін.

Необхідною умовою прояви абразивного зношування є підвищена твердість зношують частинок, в якості яких можуть служити частки різних мінералів природного або штучного походження.

Абразивні частинки проникають в зону тертя з повітрям, мастилом, горючими матеріалами, різними рідинними середовищами, при обробці абразивами і ін. Абразивне дію можуть надавати також тверді структурні складові сполучених поверхонь тертя. Згідно, внаслідок різноманітності геометричних і міцності абразиву, в поверхневому шарі матеріалу при терті реалізується спектр контактних напружень, параметри якого можуть змінюватися від рівня напружень і частоти їх повторень, на поверхні металу можуть протікати процеси прямого руйнування (вузького і крихкого) або багатоциклічного (в пружною або пластичної області деформування). Зміни в поверхневих шарах матеріалів, що відбуваються в результаті взаємодії з зернами абразиву, виражаються в зміні напруженого стану і ступеня пластичної деформації поверхонь тертя. Перекочується з проковзуванням по поверхні металу зерна абразиву піддають її циклічному навантаженню.

При класифікації видів зношування враховують ступінь закріпленості абразиву, а також характер його впливу на зношувану деталь. Розрізняють зношування жорстко закріпленим абразивом, не жорстко закріпленими абразивними частинками, гідро - або газоабразивне зношування (вільним абразивом), зношування при наявності абразивних частинок в контакті, що труться, ударно-абразивне зношування.

Рисунок 1.1. Види зношування

У роботі [1], що містить відомості про класифікацію видів абразивного зношування використані різні класифікаційні ознаки: ступінь закріпленості і характер впливу абразиву на зношувану деталь, характер силового взаємодії абразиву з зношуються деталлю; форма прояву абразивних процесів та ін. За ознакою ступеня закріпленості і характером впливу абразиву на зношувану деталь автори [1] виділяють наступні види абразивного зношування: при терті про закріплений абразив; при терті про абразивну прошарок; при терті в абразивної маси; ударно-абразивну; в струмені абразивних частинок; газоабразивне; гідроабразивне.

Відповідно до класифікації абразивне зношування підрозділяється на наступні види: ковзання щодо м'якій поверхні по шорсткою твердої поверхні; переміщення твердого тіла по нерухомо закріпленим високо твердих мінеральним зернам; удар вільного абразивного зерна про руйнується поверхню під кутами від 0є до 90є; рух тіла в сипучої абразивної маси; переміщення рідини, що містить зважені абразивні частинки; дію абразивних частинок, стислих в зазорі між взаємно рухомими поверхнями, фрекинг-корозія; імпульсний вплив абразивних частинок при кавітації.

Згідно з дослідженнями [2] і щодо схеми контакту абразиву з зношуються деталлю розрізняють наступні види абразивного зношування: а) в масі абразивних частинок; б) контактно-абразивну; в) гідроабразивне; г) газоабразівное.

Залежно від способу контактної взаємодії абразиву з деталлю автори [1, 2] виділяють такі різновиди зношування в умовах абразиву: а) зношування при терті ковзання по моноліту абразиву, розташованими між поверхнями тертя ковзання; б) під час руху деталей в незакріпленої абразивної маси при коченні по моноліту і незакріплені абразиву; в) при ударі по різним видам абразиву; г) при впливі частинок абразиву, що рухаються в потоці повітря і рідини.

Характер впливу абразивних частинок на поверхневі шари деталей залежить від багатьох факторів, а саме: ступеня рухливості абразивних зерен, міцності і твердості частинок, їх розмірів, міцних властивостей деталей, структури їх поверхневих шарів, агресивності середовища та ін.

Механізм абразивного зношування і його інтенсивність визначаються співвідношенням фізико-механічних властивостей абразивних частинок і поверхневих шарів зношуваного матеріалу. При співвідношенні твердості металу Нм до твердості абразиву На більше 0,6 спостерігається механіко-хімічна форма зношування, а при К <0,6 - механічна форма пошкоджуваності [2].

Згідно з дослідженнями [2] при твердості металевої поверхні, що перевищує 60% твердості абразиву, зносостійкість різко зростає. Таке ставлення твердості називається критичним.

Аналізуючи можна зробити висновок, що в разі перевищення твердості металевої поверхні на 60-80% від твердості абразиву, настає механічна форма зношування, інтенсивність якої у багато разів менше, ніж механічної, що підтверджується висновками авторів [25-26].

При впливі абразиву можливі різні форми деформації поверхні матеріалу: пружне деформування, пластичне відтиснення і різання або викришування поверхні. При багаторазовому пружному деформуванні на поверхні матеріалу дряпання не відбувається. Значить, така деформація не може бути наслідком абразивного зношування.

Процес руйнування, пов'язаний з цим явищем, можна віднести до втомного або будь-якому іншому зношування. Абразивне зношування може бути наслідком тільки пластичного відтискування матеріалу переміщається абразивом або його ріжучої дії. При цьому більш інтенсивно відбувається процес зношування при різанні (сколюванні) і менш інтенсивно - при пластичній деформації.

Однак, часто зустрічаються випадки, коли сплави з меншою твердістю виявляються більш зносостійкими, ніж більш тверді. Тому окремі дослідники заперечували зв'язок між твердістю і опором зношування [1-3].

При цьому вони робили досить категоричні висновки: твердість не визначає зносостійкість. Однак, багато дослідників [4, 5] Не заперечують повністю вплив твердості на металевих деталей в абразивному середовищі. Вони вказують лише на відсутність однозначної залежності між зносостійкість сплавів і їх твердістю. У поєднанні з іншими характеристиками властивостей металів твердість визнається як фактор, який впливає на рівень опірності абразивного зношування. При цьому вказується, що зносостійкість не завжди може оцінюватися тільки за твердістю [2].

Характерно, що твердість сталі, придбана за рахунок вмісту вуглецю, сильніше позначається на зносостійкості, ніж твердість, отримана в результаті загартування, а підвищення твердості за рахунок наклепу не підвищує зносостійкість.

Істотний внесок в визначення залежності між твердістю і зносостійкість при абразивному зношуванні внесли автори [4-5]. Досліджуючи чисті метали і сталі, на установці Х4-Б вони встановили, що для кожної стали є своя лінійна залежність між зносостійкістю і твердістю. З підвищенням твердості зносостійкість чистих металів і сталей збільшується; при одній і тій же твердості стали різного хімічного складу відрізняється по зносостійкості. При цьому ілюструється нерівномірність впливу твердості сплаву, отриманої різними способами, на зносостійкість при абразивному зношуванні.

Велика кількість різних сталей, чавунів і наплавлень спеціального складу досліджував автор [5]. Він встановив, що механізм абразивного зношування включає в себе дві стадії, які безпосередньо пов'язані з твердістю, а саме: 1) впровадження абразивної частки в поверхню; 2) зрізання або пластичне деформування з утворенням канавки і валиків при її русі щодо деталі. Опірність металу абразивного впливу на цих двох стадіях зношування контролюється не тільки твердістю, але і іншими фізико-механічними властивостями.

Істотний вплив на зносостійкість в умовах абразивного зношування матеріалів крім твердості з фізико-механічних властивостей надають міцність і пластичність. При підвищенні міцності стали її зносостійкість збільшується, а при збільшенні пластичності - вона знижується.

На процеси абразивного зношування впливають не тільки фізико-механічні властивості взаємодіючих поверхонь, але їх структурні зміни, однак, не всякі структурні зміни відбиваються на абразивної зносостійкості металів.

Істотний вплив на опір залізовуглецевих сплавів абразивного зношування надає вміст вуглецю. З підвищенням вмісту вуглецю зносостійкість сталі зростає.

Інтенсивність розвитку процесів абразивного зношування залежить і від зовнішніх факторів і, зокрема, від навантаження. У більшості випадків зі збільшенням навантаження знос збільшується, при цьому відбувається дроблення абразивних зерен, що сприяє руйнуванню прямо пропорційній залежності між навантаженням і зносом.

При випробуванні стали в умовах закріпленого абразиву на кривій залежності зносу від питомого навантаження спостерігається три ділянки. Перша і третя ділянки відображають лінійну залежність, друга - характеризує сталість зносу в певному діапазоні питомих навантажень.

Вплив швидкості руху абразивних частинок на зносостійкість матеріалів неоднозначно. Так, згідно з дослідженнями [1], збільшення швидкості ковзання в межах 1,2-10,5 м /с інтенсивність зношування змінюється непомітно.

При цьому в інтервалі швидкостей ковзання 1,2 - 4,0 м / с відбувається абразивне зношування, а 4,5 - 10,5 м / с теплове. За інших постійних умовах величина зносу не залежить від швидкості ковзання. Інтенсивність зношування робочих елементів різального інструменту спочатку незначно залежить від швидкості ковзання, при досягненні деякої певної для даного експерименту швидкості інтенсивність зношування різко зростає.

Вплив розмірів абразивних частинок, що знаходяться в мастильному середовищі, на інтенсивність зношування, впливає неоднозначно. Мінімальний знос спостерігається при розмірі абразиву 1 - 5 мкм, максимальний 10-50 мкм. Знос сполучених поверхонь при наявності абразиву менше 1 мкм і від 5 до 10 мкм займає проміжне значення.

Знос зростає пропорційно збільшенню лінійного розміру абразивних частинок до деякого значення порядку 100-300 мкм, вище якого знос не підвищується.

Під впливом абразивних частинок відбувається безперервний, а в ряді випадків значний знос поверхні. Однак руйнується лише частина навантаженого обсягу, в той час як інша частина - пластично деформується. Співвідношення пластично деформованого і зруйнованого об'єктів залежить від глибини впровадження частинок, радіусу їх заокруглення, пластичності сплавів і ряду інших чинників. Оскільки абразивний знос - результат реалізації двох процесів - руйнування і деформування, то принцип зносостійкості повинен виходити з взаємозв'язку між ними.

Початковою стадією руйнування металів при зношуванні є утворення мікротріщин [3], які в процесі пластичної деформації, розвиваючись в макротріщини, призводять до відокремлення обсягу, що і становить елементарний акт зношування. Процес утворення тріщин, що відбувається при виникненні ковзання, тобто діяльність дислокацій, може здійснюватися за допомогою одного з механізмів, пропонованих дислокаційною теорією руйнування [4]. Створення умов, що ускладнюють зростання і особливо виникнення тріщин в металі при його взаємодії з абразивної середовищем, є однією з основних задач, які повинні вирішуватися при створенні зносостійких сплавів для деталей, що експлуатуються в умовах абразивного зношування.

Абразивний знос - це процес інтенсивного руйнування поверхні деталей машин, що виражається в місцевій пластичній деформації, мікроцарапини і мікрорізання абразивними частинками, при якому відбувається незворотні зміни мікрорельєфу, структури і міцності поверхневих шарів.

У загальному випадку контактне напруження залежить від умов зношування і властивостей металу. Причому в реальних умовах одночасно можуть мати місце різні механізми, і інтенсивність зношування визначається переважаючими процесами.

Таким чином, механізм абразивного зношування досить складний і складається з ряду взаємопов'язаних процесів, що включають вдавлення абразивного тіла в зношену поверхню, і подальше їх переміщення. При цьому освіту частинок зносу може здійснюватися в результаті одноразової дії абразивного тіла або багаторазового полидеформационного руйнування, малоциклова (пластичне деформування), багатоциклових (пружне деформування) або механічно-хімічним механізмом. Інтенсивність і повнота протікання кожної із складових частин цих процесів визначається як властивостями металу, так і умовами зношування [4].

1.2 Особливості гідроабразивного зношування конструкційних матеріалів

Одними з небезпечних процесів, що протікають на робочих поверхнях вузлів тертя, є гідроабразивне і газоабразівное зношування, при якому відбувається циклічне втомна деформація матеріалу, під впливом потоку рідини, газу та твердих частинок. При цьому розміри продуктів зносу і частота їх утворення визначаються умовами зовнішнього навантаження. Відділенню зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих під поверхневих тріщин як наслідок максимальне зміцнення поверхневого шару і накопичення найбільшої пластичної деформації.

Фундаментальні дослідження зношування конструкційних матеріалів в гідроабразивних і газоабразівних середовищах виконані багатьма вітчизняними, а саме Б.И. Костецким [21], И.В. Крагельским [22], М.Ф. Дмитриченком [23], та інші.

До основних факторів, що впливає на гідро- і газоабразівное зношування, відносяться наступні: швидкість удару частинок; кут нахилу вектора швидкості частинок до поверхні деталі (кут атаки); концентрація частинок в потоці; абразивні властивості твердих частинок (твердість), розміри і форма частинок, співвідношення мікротвердості частки і матеріалу деталей; режиму експлуатації трибосполучень, тривалість зношування; властивості і структура зношуються матеріалів; вплив фізичних і фізико-хімічних процесів: ерозії, кавітації, корозії; середовище та його активність.

Інтенсивність зношування деталей в гідроабразивному потоці залежить від характеру і швидкості зіткнення абразивних частинок об металеву поверхню, їх твердості і розмірів. Так, при куті атаки 90° поверхню металу зношується внаслідок проникнення в нього на деяку глибину вільних абразивних частинок.

Проведені дослідження впливу швидкості абразивного потоку, а також крупності частинок, на характер протікання процесу зношування при збереженні незмінними умов і параметрів контактування, дозволили зробити наступний висновок: процес гідроабразивного зношування матеріалів характеризується наявністю певних рівнів енергетичного бар'єру, перевищення яких абразивними частинками, що містяться в гідросуміші, викликає якісні зміни текучого процесу.

Встановлено, що найменший знос матеріалів має місце при середньому розмірі твердих частинок 0,1 мм і менше; зі збільшенням об'ємного вмісту твердих частинок в рідині знос композиції збільшується.

В умовах циклічного високошвидкісного навантаження металів при ударах абразивних частинок, критична швидкість удару не є для кожного металу постійною в процесі зношування величиною і зменшується в міру поглинання енергії деформуються шарами металу. Це означає, що для багатьох металів і сплавів навіть при середньому рівні зовнішнього силового впливу при гідроабразивного зношування існують умови для крихкого руйнування поверхневих шарів.

Твердість матеріалу не є однозначною характеристикою, визначальною його зносостійкість в умовах гідроабразивного зношування.

Проведені дослідження [21] показали, що широким умовою гідроабразивного зношування з точки зору забезпечення оптимальної зносостійкості деталі найбільш повно задовольняє сталь, зношуються шари якої зміцнюється до високих значень мікротвердості, тобто мають підвищену енергоємністю, в той же час самі зовнішні мікрооб'єми металів ефективно перешкоджають впровадженню в них абразивних частинок (розпушення і видалення цих шарів в межах 1,0 - 1,5 мкм відбувається менш інтенсивно).

Високий ступінь рівномірності пластичної деформації в мікрооб'ємах і, як наслідок цього, висока енергоємність зношуються шарів матеріалу відповідають зниженню коефіцієнта диспергування внаслідок зростання частки роботи пластичної деформації в загальній роботі. Ступінь зміцнення матеріалу при цьому, що характеризується різницею вторинної та вихідної мікротвердості і пропорційна роботі деформації, є вельми важливою характеристикою поведінки матеріалу при зношуванні [21].

Зносостійкість конструкційний матеріал визначається здатністю окремих структурних складових поверхні протистояти руйнівним деформацій. Тому, для забезпечення високої зносостійкості в умовах гідроабразивного зношування слід вибирати матеріали з полікристалічним будовою, що характеризуються досить тонкою мікроструктурою з елементами порядку 1 мкм.

Дослідженню механізму гідроабразивного зношування присвячено багато робіт [3,4,6].

Механізми поверхневого руйнування деталей машин можуть бути різними в залежності від конкретних умов експлуатації і швидкості потоку рідини. У разі невеликих швидкостей потоку рідин провідним є механіко-хімічний механізм руйнування. При цьому інтенсивність зношування контактних поверхонь невелика і стабільна в часі.

Відокремлення зношених частинок передує виникнення і розвиток досить великих підповерхневих тріщин як наслідок максимального зміцнення поверхневих шарів і накопичення найбільшої пластичної деформації.

При високому тиску в зоні мікрорізані абразивним зерном відбувається зміцнення металу внаслідок його пластичної деформації, яка спостерігається навіть у тендітних металів (чавун, загартована сталь). Деформаційне зміцнення тим більше, ніж пластичний метал. Зі збільшенням зміцнення відповідно зростає і опір деформації металу, а це призводить до інтенсивного зносу абразивного матеріалу.

Інтенсивного руйнування металів від гідроабразивного зношування передує період, протягом якого мікротвердість їх збільшується до граничного значення. За цей період виникають дислокації і інші мікродефекти поверхневого шару, накопичуючись, переростають в мікропори, які під дією наступних ударів зливаються і утворюють мережу мікротріщин різних розмірів. Створюються умови для крихкого руйнування. Тривалість початкового періоду залежить, з одного боку, від умов випробувань, а з іншого боку, визначається міцності випробовуваних металів.

При відносно низьких значеннях енергії удару руйнування локалізується в найтонших поверхневих шарах вторинних структур і протікає по механіко-хімічному механізму. У деяких випадках гідроабразивне зношування супроводжують процеси електрохімічної корозії.

Відповідно до спостереження механізмів руйнування різних конструкційних матеріалів при зміні питомої енергії контактування існує кілька критичних енергетичних рівнів W_k, значення яких в залежності від умов навантаження можуть змінюватися на 2 і більше порядку. Однак, через деякі параметри і умов взаємодії частинок з поверхнею аналітичне визначення значень W_k, а також інших параметрів, що характеризують абразивні і зносостійкі властивості контактних матеріалів, що виключає можливість створення універсальної розрахункової методики процесу зношування шляхом тільки теоретичного аналізу.

В роботі [5] проводили дослідження зносостійкості в умовах гідро - та ударно-абразивного зношування широкого кола сталей різних класів і сплавів кольорових металів. Встановлено, що зносостійкість матеріалів різних класів залежить від параметра, що характеризує жорсткість напруженого стану тонких зношуються шарів. Універсальним критерієм зносостійкості широкого кола металевих матеріалів є критична щільність потужності деформації, що визначається з урахуванням жорсткості напруженого стану зношуються поверхні.

До матеріалів, які працюють в середовищі швидкоплинної рідини, пред'являються вимоги високої конструкційної міцності, а також корозійної і ерозійної стійкості. В якості основного принципу вибору матеріалів, стійких в умовах гідроабразивного зношування, слід вважати структурний принцип. При цьому необхідно враховувати, як відзначають автори [5], що не може бути однієї марки сталі або сплаву, придатної для всього різноманіття умов експлуатації деталей (різні швидкості потоку рідини, хімічна активність і абразивність середовища, конструктивні особливості деталей та ін.). Тому в кожному окремому випадку вибір матеріалу повинен базуватися на глибокому вивченні умов, в яких відбувається його руйнування.

Задача вибору металів для роботи в умовах гідроабразивного зношування в загальному випадку повинна бути спрямована на відшукання металів, що володіють оптимальним співвідношенням між характеристиками міцності і пластичних властивостей. Цим вимогам задовольняють стали аустенітного і аустенітного-феритного класу, особливо з нестабільним аустенітом, і ряд марок сталей інших класів, наприклад, стали перлітного класу з початковою твердістю в межах 350-420 НV.

Перспективним напрямком підвищення роботоздатності деталей, що експлуатуються в умовах гідроабразивного зношування, є використання мінералополімерних композицій.

При загальній тенденції заміни в деяких видах устаткування гірської промисловості легованих зносостійких чавунів на неметалеві матеріали на особливу увагу заслуговує створення мінералополімерних композицій. Ці композиції складаються з мінерального наповнювача (електрокорунду, карбіду кремнію і ін.) І полімерної зв'язки. Однак, відомостей про таких композиційних матеріалів в широкому діапазоні впливу зовнішніх механічних факторів не існує.

До числа основних напрямків підвищення зносостійкості деталей, що піддаються гідроабразивного зношування, слід віднести застосування зносостійких матеріалів, технологічні методи, нанесення покриттів, наплавлень, і ін.

Таким чином, до теперішнього часу проведено значну кількість досліджень, присвячених вивченню процесів гідроабразивного зношування і розробці методів підвищення зносостійкості деталей машин, що працюють в гідроабразивних середовищах. Існуючі методи підвищення зносостійкості цих деталей не задовольняють пред'явленим до них вимогам. У зв'язку з цим розробка методів підвищення зносостійкості є актуальним завданням.

1.3 Аналіз сучасних методів відновлення зношених деталей машин

У сучасному машинобудуванні застосовуються багато методи відновлення геометричних розмірів і форм деталей машин, порушених в результаті зношування або інших пошкоджень, нанесенням металевих і композиційних покриттів. В результаті цього відновлюються функціональні спроможності деталей машин, в тому числі, їх зносостійкість та інші трибологічні характеристики пар тертя пошкоджених деталей машин і механізмів. До цих методів слід віднести: зварювання, наплавлення, паяння, заливку рідким металом, поверхневе пластичне деформування, хіміко-термічну, електромеханічну, електромагнітне і лазерну обробку, електроконтактні Припікання порошків, газотермічне напилення, нанесення дифузійних, вакуум-плазмових, полімерних, гальванічних, електрохімічних та інших покриттів.

Технологічними методами відновлення геометричних розмірів деталей займалися багато вчених [6-7]. Проте, до теперішнього часу універсального методу відновлення деталей не існує. Це обумовлено великою різноманітністю відновлюваних матеріалів їх хімічним складом і структурою, а також зовнішніми факторами, які впливають на деталі в процесі їх експлуатації. У зв'язку з цим для кожної групи деталей і умов їх роботи розроблялися практичні рекомендації для їх відновлення.



Рисунок 1.2. Методи відновлення геометричних розмірів і форм деталей

Одним із застосовуваних і широко поширених методів відновлення деталей є гальванічні і електрохімічні покриття. Особливістю цієї технології є можливість отримання композиційних електрохімічних покриттів, що володіють антифрикційними властивостями. Введення до складу покриттів хрому, нікелю і інших пластичних матеріалів істотно впливає на підвищення їх триботехнічних властивостей і характеристик. Додавання карбідів, оксидів, бор дозволяє підвищити зносостійкість деталей пар тертя.

З гальванічних або електрохімічних покриттів найбільш широке застосування для відновлення деталей знайшли хромування. Так, наприклад, хромуванням в практиці машиноремонтних підприємств відновлюють різні деталі двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ): втулки і циліндри, поршневі пальці, шийки колінчастих і розподільних валів, штовхачі і інші.

Для збільшення терміну служби деталей машин використовують наплавлення, що знайшла широке застосування для поверхонь зміцнення і відновлення різноманітних виробів - від великогабаритних, таких як шийки колінчастих і розподільних валів, до дрібних деталей типу вихлопних гнізд і клапанів.

До основних видів наплавлення відносяться: дугова під флюсом, дугова в вуглекислому газі, дугова з газополуменевим захистом, вібродугова, дугова порошковим дротом або стрічкою, дугова в середовищі аргону, контактна, електрошлакове, лазерна.

Для відновлення деталей з великими величинами зносу застосовують різні способи наплавлення. Це, як правило, деталі землерийних, будівельних і сільськогосподарських машин - зуби екскаваторів, ножі бульдозерів, наконечники культиваторів гусениці ходової частини тракторів і ін.

Однією з різновидів способів отримання наплавочних покриттів є електромагнітне наплавлення (ЕМН). Сутність даного способу полягає в наступному. На поверхню відновлюваної деталі подається феромагнітний порошок, який перебуває в постійному магнітному полі, з одночасним пропусканням постійного електричного струму великих значень через зону контакту. Під впливом електричного струму і виділеного при цьому тепла порошок розплавляється і, охолоджуючись на деталі, утворює покриття. Такі покриття відрізняються високою зносостійкість і встановленої міцністю. Вищі триботехнічних характеристики можна отримати при об'єднання методів ЕМН і ППД. Це сприяє підвищенню поверхневої міцності, твердості, втомної міцності, зносостійкості і зниження пористості і шорсткості.

Технологія ЕМН спільно з ППД відрізняється високою економічністю енергії і матеріалів універсальністю та простотою технологічного обладнання. Пристосування для ЕМН і ППД можна використовувати на будь-якому токарному верстаті.

Численні методи відновлення деталей супроводжуються високим нагріванням, що зумовлює зміну структури основного металу, погіршення його фізико-механічних властивостей. Газотермічні методи нанесення покриттів таких недоліків не мають.

Методи ГТН мають цілий ряд переваг, основними з яких є:

· універсальний склад покриттів (від пластмас до тугоплавких карбідів);

· універсальний склад зміцнюючих матеріалів (від металів і їх сплавів до пластмас);

· незначне термічне вплив на напилюваний матеріал (нагрів до 80-150° С);

· висока продуктивність процесу (до сотні кілограмів за 1 годину при електродугової металізації).

Кожен метод ВМД має свої переваги і недоліки. Так, наприклад, метод електродугової металізації найбільш економічний з газотермічних методів. Ступінь корисного використання енергії при застосуванні даного методу досягає 60-70%. Питомі втрати електроенергії в разі використання стаціонарних дугових металізатора (значення електричного струму - до 1200А) становить 0,3-1,3 кВт / кг. Товщина покриття може досягати 20 мм. Ця технологія забезпечує не тільки високу продуктивність при простоті обладнання і використання типової зварювального дроту, а й високі якості, а також коефіцієнт використання напилюваного матеріалу.

Для усунення таких недоліків ЕДН як великі залишкові напруги розтягнення в покритті, окислення його складових, останнім часом поширюється активована дугова металізація, сутність якої полягає у впливі додаткового джерела теплової енергії на напилювальний потік. Останнє здійснюються за рахунок добавок, які підвищують потенціал іонізації і температуру дуги.

При плазмовому напиленні покриття частки нагріваються і прискорюються в потоці низькотемпературної (5000…16000°С) плазми. Енергетика процесу напилення залежить від застосовуваного газу. Дослідженню плазмових покриттів присвячені фундаментальні роботи багатьох дослідників [2, 5, 6]. До переваг плазмових покриттів відносять їх низьку пористість (до 2…. 2,5%), велику товщину шару, що наноситься (до 1,5 мм), низьку температуру нагрівання деталі через локальності впливу плазмового потоку, можливість отримання високих значень антифрикційних і зносостійких характеристик.

Детонаційне нанесення покриттів здійснюється розпиленням порошкоподібних матеріалів продуктами згорання, що виникають в результаті спрямованої детонації газової суміші. Через можливість досягнення при детонації газових сумішей високих температур і швидкостей польоту напилювання порошків, цей метод забезпечує формування твердих і щільних покриттів з високими експлуатаційними властивостями. Застосування цього методу для відновлення деталей економічно доцільно для широкого діапазону деталей. Дослідженням детонаційних покриттів присвячені роботи [6-8]. Головною перевагою детонаційних покриттів є можливість нанесення покриттів в будь-яких поєднаннях матеріалів покриття і підкладки. Вони забезпечують високу щільність покриття, високу адгезійну міцність зчеплення його з підкладкою (до 80 МПа). Поверхня деталі при нанесенні покриття нагрівається незначно, тому температурні напруги і деформації відсутні. Детонаційні установки мають велику продуктивність.

До недоліків детонаційного методу відносяться неможливість нанесення покриттів на внутрішні циліндричні поверхні малих діаметрів і необхідність створення спеціально обладнаних боксів для напилення. Установки для детонаційного напилення відносно дешеві, вони дозволяють, застосовувати як природний і балонний газ (ацетилен, пропан - бутан), так і електроенергію, тому область їх застосування практично не обмежена.

Характеристики детонаційних покриттів значно перевершує відповідні показники плазмових і газополуменевих покриттів.

Основною областю застосування детонаційних покриттів є зменшення зносу тертьових сполучень деталей різного призначення.

Великими темпами розвиваються методи іонно-плазмової технології нанесення покриттів, а саме - методи PVD і СVD. Суть методу PVD полягає в осадженні іонізованих атомів молекул наносяться на зміцнюючих деталь, яка знаходиться під негативним потенціалом, що досягає до 103 В.

В даний час існує велика кількість різноманітних модифікацій іонно-плазмового напилення. Найбільшого поширення в машинобудуванні придбав, метод конденсації з іонним бомбування і осадженням в плазмі електродугового розряду.

Зносостійкі іонно-плазмові покриття в основному формуються на основі карбідів, нітридів, оксидів і деяких інших сполук перехідних металів. Покриття цього типу в більшості випадків використовується. Стійкість інструментів (свердел, фрез, різців та ін.) Після іонно-плазмового напилення N і Zr зростає в 1,5-3 рази.

Метод CVD заснований на конденсації газоподібних сполук на поверхні зміцнюючих деталей з наступним утворенням твердих опадів і дозволяє отримати високоміцні шари з карбідів, нітридів, боридів, силіцидів, а також оксидів.

Іонно-полум'яні покриття добре себе зарекомендували при зміцненні деталей, що працюють в умовах тертя ковзання без змащувального матеріалу, схоплювання і фреттинг-корозії.

Традиційним і широко поширеним методом поверхневого зміцнення, а в деяких випадках і відновлення розмірів шляхом механічного впливу на поверхневі шари деталей без зміни хімічного складу є поверхневе пластичне деформування (ППД).

Цей метод зміцнення металів і сплавів заснований на їх здатності пластично деформуватися без руйнування поверхневого шару. В результаті впливу зовнішніх факторів кристалічні решітки деформуються що призводить до порушення атомної структури, збільшення щільності дислокацій, подрібнення структури і виникнення залишкових напружень стиску. Все це сприяє підвищенню твердості поверхні міцності, зносостійкості.

Слід зазначити що, методами ППД відновлюються деталі, до яких не пред'являються вимоги високої чистоти.

Для більш ефективного одержання необхідних фізико-хіміко-механічних властивостей за рахунок зміни складу і структури поверхневого шару металевих виробів застосовують різні методи хіміко-термічної обробки (ХТО). Найбільш популярними методами поверхневого зміцнення металів і сплавів є наступні: цементація, нітроцементація, азотування, алітування, борировання, хромування.

Оптимальна товщина зміцненого шару залежить від виду і режиму дифузійного насичення. Так, наприклад, дифузійного хромування становить 20-25 мкм, титанування - 15-20 мкм, борировання - 120-150 мкм. При борированні розмір циліндричної деталі по діаметру зростає на 35-50 мкм, що дає можливість застосовувати даний метод для відновлення зношених деталей.

У процесі ремонту сучасної техніки для відновлення зношених деталей, застосування знаходить електромеханічна обробка (ЕМО), заснована на термічному і силовому впливі на зміцнюючу деталь. Вона дозволяє істотно змінити фізико-механічні властивості поверхневих шарів деталей і дозволяє різко підвищити їх зносостійкість, межа витривалості і інші експлуатаційні характеристики деталей.

Для відновлення геометричних розмірів деталей, підвищення опору зносу, збільшення твердості і захисту деталей від корозії застосування знаходить електроіскрове легування (ЕІЛ).

Особливістю методу ЕІЛ є можливість створення багатофункціональних покриттів, що володіють широким комплексом фізико-механічних властивостей.

Найбільш якісні покриття, суцільність яких досягає 80%, товщиною від 30 до 200 мкм і шорсткістю поверхні не менше 20-40 Кг отримують при ЕІЛ залізо-вуглецевих сплавів металами 4-6 групи таблиці Д.І. Менделєєва. Кількість шарів при нанесенні електроіскрових покриттів залежить від режимів обробки і міжелектродні середовища. Характерним є те, що, при формуванні шарів збільшення часу обробки призводить не до збільшення товщини покриттів, а навпаки, починаючи з певного часу - до її зменшення.

Неможливість отримання 100% суцільне покриття, висока шорсткість поверхневого шару, наявність істотних залишкових напружень, а також низька продуктивність технологічного процесу обмежують використання ЕІЛ для підвищення механічних властивостей.

Об'єктом пильної уваги вчених і працівників промисловості стало застосування лазерного променя для поверхневого зміцнення конструкційних матеріалів шляхом зміни структури поверхневого шару або нанесення покриттів завдяки унікальним можливостям цієї технології.

Лазерну обробку застосовують для поверхневого зміцнення деталей працюють в умовах контактної взаємодії, а також при відновленні зношених деталей. Так, наприклад, в автотракторобудування лазерне зміцнення застосовується для повішення зносостійкості розподільних валів, колінчастих валів, зубчастих коліс, робочих поверхонь клапанів, клапанних сідла поршневих канавок, комресійних кілець і інших деталей.

До недоліків лазерної обробки слід віднести:

· недостатність вивченістю механізму структуроутворення і неможливістю через це ефективно управляти процесами формування зносостійких структур;

· зменшення глибини зміцнення при малих швидкостях променя за рахунок екрануючого дії плазми;

· нерівномірність якості зміцненого шару при обробці великогабаритних деталей;

· утворення тріщин під час обробки;

· великий вартістю обладнання;

· необхідністю високої технічної культури обслуговуючого персоналу.

Істотних результатів в отриманні необхідних триботехнічних характеристик при відновленні деталей можна досягти в результаті поєднання двох і більше технологічних процесів.

Технології поверхневого зміцнення і відновлення деталей вузлів тертя продовжать розвиватися і вдосконалюватися. Паралельно з їх розвитком створюються принципово нові технологічні процеси, до яких слід віднести методом високотемпературного синтезу (СВС - метод) і метод отримання покриттів з використанням концентрованої сонячної енергії.

Метод СВС заснований на поєднанні хімічних реакцій і з процесами теплового самовідновлення спеціальних порошкових сумішей. При їх хімічній взаємодії утворюються нові речовини відповідних хімічних сполук у вигляді карбідів, боридів, силіцидів, нітридів, інтерметалідів та ін., Які зраджують утворився покриттям необхідні фізико-механічні властивості.

Застосування сонячної енергії для отримання покриттів є однією з найбільш екологічно чистих та енергозберігаючих технологій поверхневого зміцнення і відновлення деталей машин.

Крім металевих покриттів на поверхні тертя деталей машин наносять полімерні покриття.

До основних способів нанесення полімерних покриттів слід віднести газопулуменевий, вихровий, вібровіхровий, струменеве напилення, пломбування та інші. Матеріалами для нанесення покриттів служать: поліетилен, поліпропілен, поліуретан, капрон і інші. Перспективними є металополімерне композиційне покриття.



1.4 Композиційні матеріали, що використовуються для нанесення відновних покриттів на зношені деталі машин

Для поліпшення фізико-механічних і трибологічних властивостей полімерних покриттів в їх склад вводять спеціальні наповнювачі залежно від умов роботи вузла тертя. Подальше підвищення антифрикційних і протизносних властивостей полімерних покриттів може бути досягнуто за рахунок використання в якості наповнювачів речовин, що стимулюють їх роботу, наприклад, в режимі виборчого перенесення. Так, додавання порошку міді в покриття дозволяє знизити коефіцієнт тертя пари сталь-поліамід в 1,2 - 3 рази, а величину зносу полімерного композиційного покриття в 10 - 15 разів. При цьому міцність покриття підвищується в 1,5 - 2 рази.

Металополімерні композиційні матеріали розрізняють по металевій основі - залізо-пластики, стале-пластики, бронзо пластики. Металополімери дозволяють просто і ефективно нарощувати, підганяти і ущільнювати зношені деталі. Завдяки надзвичайно високому вмісту металу в суміші (92… 96%) відремонтовані ділянки деталей тверді, безусадкова і мають хорошу когезію (адгезію) з поверхнею основного металу. Відновлені ділянки деталей добре обробляються і мають високу зносостійкість і антифрикційні властивості, практично подібні основного металу. Металополімери застосовують не тільки для відновлення зношених деталей, але і для додання їм необхідних експлуатаційних властивостей. Покриті ними поверхні мають високу корозійну стійкість, стійкість до впливу агресивних середовищ - кислот, лугів, спиртів і т. п. Застосування металополімерів дозволяє використовувати високу несучу здатність дешевих чорних металів, отримуючи антифрикційні і зносостійкі характеристики, що труться, як у кольорових металів. Застосування технології при відновленні деталей відрізняється простотою і дешевизною. Така технологія відновлення деталей не вимагає складних пристосувань, часто дозволяючи обійтися без розбирання вузлів, не вимагає спеціального устаткування і приміщень. Так як технологія відновлення металополімер мало залежить від типів деталей, то класифікацію покриттів на їх основі ведуть за їх типами, не зв'язуючи з самими деталями.

За експлуатаційними властивостями розрізняють тверді зносостійкі, антифрикційні покриття, для роботи при підвищених температурах, жаростійкі, тугоплавкі. Покриття використовуються також для відновлення форми і геометричних розмірів. Наносяться також покриття із спеціальними властивостями - підвищеною електропровідністю, діелектричні, напівпровідникові і т. п.

До твердих зносостійкиї металополімерів відносяться покриття з наповнювачем на основі порошків чавуну, легованих і звичайних сталей, бронзи. Вони застосовуються для ремонту зношених поверхонь деталей пар тертя, що працюють в умовах тертя без змащення або абразивного зношування. Такі покриття мають високу термостійкість (-40C… + 200C) і зносостійкість, високими антифрикційними характеристиками. До таких покриттів відносяться металополімер «Стандарт» (на основі заліза), рідко текучі металополімери на основі бронзи.

До твердих зносостійким детонаційними покриттів відносяться покриття на основі карбідів вольфраму, хрому, титану, кобальту та ін. З нікелевими зв'язками - WC + 18% Co, TiC + 15% Co, +15% Ni, +15% NiCr, WC +15% Co. Ці покриття відповідають за властивостями металокерамічним твердим сплавам. Висока зносостійкість твердосплавних покриттів обумовлена тим, що тверда складова (карбід) вкраплена в м'яку основу кобальту або нікелю. У покритті навантаження сприймається твердими складовими, зменшуючи тим самим величину деформації. Завдяки високим експлуатаційним властивостям широко застосовують покриття на основі карбіду вольфраму WC. Зносостійкість даних покриттів зменшується при їх застосуванні в окислювальному середовищі при високих температурах - 540… 560 C.

Для роботи при підвищених температурах в умовах інтенсивного абразивного зношування застосовують покриття на основі карбіду хрому, оксидів, а також металополімерів на основі металокераміки («Рапід», TR -16). Покриття типу 15% Ni і + 15% NiCr можуть застосовуватися в якості зносостійких при температурах до 1200C через високу термостійкість. При нанесенні в якості покриття тільки з карбіду хрому, поверхня виходить крихкою, що обмежує його застосування [9].

У порівнянні з перерахованими вище покриттями оксидні покриття мають значну міцність при високих температурах. Найбільш жаростійкими є покриття на основі оксидів алюмінію, хрому і титану - і їх композицій. Однак деталі з оксидними покриттями не можуть працювати в кислих середовищах через утворення агресивних середовищ між матеріалом підкладки та покриття.

При роботі деталей в умовах тертя за відсутності мастила використовують тверді мастила покриття на основі молібдену та його дисульфіду, а також металополімери на основі латуні, бронзи і міді. Ці покриття не можуть наноситися детонаційними способом через сублімації молібдену при температурі вище 500 C. Приблизно такими ж антифрикційними властивостями володіють детонаційні покриття на основі нікелю і хрому. Їх можна застосовувати для відновлення деталей зношених не більше, ніж на 1,5… 2 мм.

Для відновлення зношених поверхонь деталей, а також для ліквідації інших поверхневих ушкоджень, виправлення дефектів форми, додання поверхням необхідних механічних характеристик застосовують покриття на основі порошкових сумішей КХН, НАС, а також метало-полімери на металевих основах, аналогічних матеріалів підкладки. Відновлювальний ремонт деталей цими покриттями застосовують для глибини пошкоджень до 2 мм. При великих глибинах в сильно навантажених деталях може мати місце порушення міцності зчеплення покриття з матеріалом підкладки. Найкращими триботехнічними характеристиками володіють детонаційні покриття з порошкових сумішей на основі Co, Ni і Cr, такі як ВК, ВН, КХН, НАС. Вони добре працюють в умовах абразивного зношування, тертя без змащення і рідинного тертя.

Матеріали КХН і НАС мають найкращу пластичністю при високій твердості покриттів, відрізняються високою адгезійною міцністю з різними матеріалами підкладки, здатністю до деформування без порушення цілісності. Поряд з цим, вони мають високі триботехнічними характеристиками. Для нанесення покриттів при відновленні деталей цими матеріалами використовують випускаються промисловістю суміші порошків з переважанням нікелю ПНЕ-1, кобальту - ПК-1, алюмінію - ПА-1, кремнію - ПТЕ-1, хрому - ПХ-1. Гранулометричний склад частинок порошків дослідження покриттів: 40… 60 мкм - 73%; 10… 40 мкм - 21%; менше 10 мкм - 6%. Дані порошки випускаються заводом металевих порошків в м Бровари. Крім зазначених порошкових сумішей на вимогу замовника випускають і порошки інших типів на основі матеріалів КХН і НАС, володіють необхідними фізико-механічними характеристиками, температурою плавлення, пружними властивостями і т. п.

Для відновлення деталей машин, трубних виробів і т. п. застосовують металополімери на основі чавуну, сталі, леговані суміші, що володіють відносно високою твердістю (до 180 МПа), термостійкість в діапазоні від -50C до + 250C, міцністю при стисканні до 180 МПа, при розтягуванні до 90МПа, при вигині - до 110 МПа. Основною перевагою металополімери при відновлювальних роботах є порівняно короткочасний процес їх полімеризації (30… 40 хвилин) на невеликих площах пошкоджених поверхонь, що дозволяє застосовувати їх навіть в умовах експлуатації.

До металополімерів відносяться багатокомпонентні покриття на основі одного або декількох металів, а також матеріал, що пов'язує. Вони призначені для швидкого і ефективного ремонту виробів у всіх областях промисловості, для склеювання і нероз'ємного з'єднання деталей методом «холодного зварювання». До переваг можна віднести можливість їх застосування там, де не можна або неможливо застосовувати електрозварювання, а також для ремонту деталей систем знаходяться під тиском. Покриття з відрізняє висока механічна міцність, а також відсутність усадки і утворення тріщин в процесі твердіння в порівнянні з металополімерами.

Для відновлення зношених машинобудівних деталей, а також бракованих отворів, різь, ліквідації тріщин і т. п. пошкоджень застосовують металополімер на основі чавуну, сталі, алюмінію, бронзи і їх сплавів. Їх твердість після затвердіння досягає 120… 150 МПа, міцність при стисненні до 185 МПа, вигині до 90 МПа, при розтягуванні до 80 МПа. Час полімеризації сполучного в металополімері в середньому досягає 6 годин при великий проникаючої здатності [10].

Розглянуті способи відновлення деталей нанесенням покриттів при використанні гарячих робочих середовищ мають загальний недолік - необхідність розбирання механізмів та нанесення покриттів на спеціальному обладнанні. Це робить ремонтні технології дорогими, і в ряді випадків відновлення деталей стає економічно недоцільним.

У зв'язку з цим останнім часом набули широкого поширення технології відновлення деталей металополімерними матеріалами - двокомпонентних матеріалів, що складаються з сполучного полімерного матеріалу і металевих порошків, відповідних матеріалів відновлюваних деталей.

Застосування металополімерів для відновлення деталей економічно доцільно, так як вони мають суттєву перевагу перед іншими методами. Перш за все, вони не вимагають спеціального обладнання, а в ряді випадків, і розробки механізмів, що містять пошкоджені деталі. Для застосування не потрібно висококваліфікований персонал, так як навчання застосуванню більшості типів відбувається за дуже короткий період і в подальшому вимагає тільки суворого дотримання технологічних інструкцій.

На підставі аналізу застосування композиційних покриттів на основі металополімерних матеріалів, можна прийти до наступного висновку:

1. Для відновлення зношених деталей машин загального призначення в виробничих умовах найбільш зручні металополімер. Вони дозволяють виконувати відновлення пошкоджених деталей практично без розбирання вузлів, не застосовуючи складні спеціалізовані пристосування і інструменти;

2. Обробка поверхонь відновлених деталей виконується на звичайних верстатах або безпосередньо на місці ремонту із застосуванням абразивних кругів і фрез на ручних електроінструментах і т. п.;

3. Вартість технологічної операції відновлення деталей металополімерами відносно низька, в порівнянні з іншими методами відновлення через простоту технології, невеликої витрати матеріалів і відсутності потреби в спеціальному обладнанні;