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.