Повышение износоустойчивости оборудования

План:

1. Термохимическая обработка изделий.

2. Пламенная поверхностная закалка.

3. Упрочнение поверхности деталей наклепом.

4. Защитные покрытия.

Способов повышения износоустойчивости довольно много. Их можно разделить на несколько основных групп: термохимические; термические; механические; защитные покрытия и др.

Рассмотрим наиболее простые по технологическим приемам способы повышения износоустойчивости рабочих поверхностей деталей.

1.Термохимическая обработка изделий

Цель всякой термохимической обработки стального изделия заключается в том, чтобы получить по­верхностный слой, обладающий повышенной твердостью и износостой­костью, а также повышенной прочностью. Это достигается диффузией соответствующих веществ (углерода, азота и др.) в глубину поверх­ностного слоя изделий при их нагреве. Наиболее распространенными способами термохимической обработки стальных изделий являются цементация, азотирование и цианирование. Менее распространенными, но применяемыми на практике способами являются никелирование, хромирование, цинкование и др.

Цементация.

Цементации подвергают детали из малоуглеро­дистых сталей (С<0,25%) для придания их поверхностному слою твердости и износоустойчивости. Цементация состоит в доведении содержания углерода в этом слое до 0,81,0 %. Детали для цемента­ции закладывают в железный ящик вместе с плотно утрамбованным карбюризатором. Основной элемент всякого карбюризатора – углерод. Карбюризаторы бывают: жидкостные (NaCN, NaCl, BaCl₂ и др.); газовые (содержащие метан, окись углерода и различные непредельные углеводороды C_nH_2n); твердые (древесный уголь, торфяной и нефтяной кокс). Для ускорения процесса цементации в карбюризатор вводят активизирующие вещества – карбо­нат бария, соду, поташ. Детали в цементационном ящике располагают так, чтобы они находились друг от друга и от стенок ящика не ближе 2025 мм. Ящик не должен быть очень большим, поскольку, чем он больше, тем дольше его придется нагревать до требуемой температуры. Для цементации крупных деталей лучше брать ящик, близкий по форме и размерам к форме и размерам детали. Для цементации мелких дета­лей рекомендуется ящик такого размера, длина – 500 мм., ширина – 300 мм., высота – 250300 мм. Заложив детали и карбюризатор, ящик закрывают крышкой, замазывают все щели огнеупорной глиной, чтобы внутрь не мог проникнуть воздух, и ставят в печь, где его выдерживают при температуре 860920 °С в течение нескольких часов. Лучше всего ящик помещать в печь, нагретую до 700 °С, и медленно нагревать до температуры цементации. Продолжительность прогрева устанавливается практически.

Ориентировочно можно считать, что на прогрев каждых 100 мм. глубины ящика, требуется 2 ч. Для получения цементированного слоя глубиной 0,1 мм. требуется 1 час.

Для контроля глубины цементации в ящик, через просверленные в его стенках отверстия вставляют прутки диаметром 56 мм, изготовленные из той же стали, что и цементи­руемые детали («свидетели»). Когда рассчитанное для цементации время истечет, один из прутков извлекают из ящика, закаливают в воде и раз­ламывают. На изломе будет видна крупнозернистая сердцевина и тонкий наружный матовый ободок – цементированный слой. Если глубина цементации, определенная по излому «свидетеля», окажется достаточной, ящик вынимают из печи и охлаждают. После цементации детали подвер­гают термической обработке, состоящей из:

1. Нормализации при тем­пературе 900 °С – для улучшения структуры сердцевины;

2. Закалки в воде при температуре 760780 °С – для создания оптимальной структуры поверхностного (цементированного) слоя;

3. Отпуска при температуре 150200 °С – для снятия внутренних напряжений.

Участки поверхности детали, не подлежащие цементации, перед укладкой в ящик обмедняют в гальванических ваннах (наилучший способ) или обмазывают шамотной глиной с добавкой 510 % асбесто­вого порошка.

В результате цементации повышается твердость и износостойкость поверхностного слоя, а также усталостная прочность всей детали. К недостаткам этого метода можно отнести то, что цементированные детали, как правило, должны проходить последующую термическую обработку (нормализацию, отпуск и закалку) в условиях исключающих коробление.

Азотирование.

При этом виде обработки изделие подвергается в специальных камерных печах нагреву до 500600 °С при одновремен­ном насыщении поверхностного слоя его азотом, выделяющимся при разложении аммиака. Какой-либо последующей термообработки изделие после азотирования не требует, и это, а также сравнительно невысокая температура нагрева дают азотированию преимущество перед цементацией.

Азотирование вызывает значительное упрочнение поверхности изде­лий (в том числе весьма сложных конфигураций) почти без изменения их размеров и макрогеометрии поверхности, а также вызывает большое повышение их предела усталости. Значительно повышаются вместе с тем износостойкость и долговечность изделий, особенно в корродирующих условиях эксплуатации. Предел усталости изделий при одина­ковом режиме обработки увеличивается тем больше, чем глубже азо­тированный слой изделия, причем особенно это заметно при наличии надрезов. Азотирование деталей уменьшает также чувствительность их к концентрациям напряжений.

Причина положительного действия азотирования на циклическую прочность стальных изделий заключается главным образом в появлении остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое их; повы­шение при этом твердости поверхностных слоев изделий также имеет значение. При указанных преимуществах процесс обработки стальных изделий азотированием имеет и существенный недостаток, заключа­ющийся в большой длительности этого процесса, который в общей сложности иногда требует двух и более суток и необходимости последующей закалки. Применение двухступенчатых и трехступенчатых режимов азотирования, с участием соответ­ствующих катализаторов обеспечивает значительное сокращение дли­тельности этого процесса, доводя его до десятков часов. Этот сокращенный режим азотирования широко применяют для поверхностной обработки ответственных элементов конструкций.

Наиболее новым методом азотирования, ускоряющим этот процесс, яв­ляется «ионное азотирование». При этом деталь помещают в специальный цилиндр, из которого вакуумным насосом откачивают воздух, заполняют рабочее пространство газообразным аммиаком и производят электри­ческий разряд. Аммиак диссоциирует, распадается на ионы азота и водо­рода. Ионы начинают бомбардировать поверхность изделия, как бы сдувая мельчайшие частички металла, а азот быстро насыщает поверх­ностные слои изделия. С помощью электрических разрядов можно азо­тировать детали на значительную глубину, покрывать их толстым износостойким слоем. Азотированные детали характеризуются повышенной усталостной прочностью и хорошо противостоят знакопеременным нагрузкам.

На практике распространен менее дорогой, кратковременный, так называемый метод антикоррозийного азотирования. Например, толщина азотированного слоя в 10100 мк требует только 13 часа времени в зависимости от температуры, при которой ведется обработка изделия. Данный метод обычно применяют в целях борьбы с поверхностной коррозией изделий.

Цианирование.

Цианированием называется такой вид термо­химической обработки стальных изделий, когда поверхностный слой их при нагревании насыщается одновременно углеродом и азотом. Цианирование бывает жидкостное (в ванне с Na₂CO_3, NaCl и NaCN) и газовое (в ванне с аммиаком и пиробензолом). Газовое цианирование в свою очередь подразделяется на: низкотемпературное (600700 °С) и высокотемпературное (800850 °С). Наибольшее применение на практике получает газовое цианирование (нитроцементация).

Цианирование значительно повышает циклическую прочность сталь­ных изделий; величина этого повышения зависит от глубины цианированного слоя и, следовательно, от всех параметров режима цианирования: от состава цианокарбюризатора, от степени нагрева, от продол­жительности обработки и пр. Цианирование увеличивает циклическую прочность стальных изделий почти в той же степени, что и цементация, и в несколько меньшей степени, чем азотирование. Но кратковремен­ность этого процесса и отсутствие всяких дополнительных термических операций делают его во многих случаях, более рентабельным по сравне­нию с цементацией и азотированием.

Цианирование стальных изделий так же, как цементация и азоти­рование, резко снижает сопротивление ударным нагрузкам, поэтому эти способы термохимической обработки не могут быть рекомендованы для поверхностной обработки конструкций, предназначенных к эксплуа­тации в условиях ударных нагрузок.

Алитирование.

Алитирование применяется для повышения жаропрочности стальных изделий. Оно заключается в насыщении поверхностных слоев детали алюминием и производится в: 1-ом случае при температуре 9001050 ^оС для твердой фазы (в ящик вместе с деталью укладывают порошкообразную смесь, состоящую из алюминиевой пудры, Al₂O₃, NH₄Cl и порошка белой обожженной глины); 2-ом случае процесс ведут в реторте (керамической камере) в присутствии нагреваемых до 600 ^оС кусков ферроалюминия, а также хлора или паров соляной кислоты.

Силицирование.

Процесс насыщения поверхностных слоев металла кремнием при температуре 10001100 ^оС в среде ферросилиция. Силицированию подвергают стальные детали, работающие в условиях повышенных температур.

Хромирование.

Процесс насыщения поверхности детали хромом путем диффузионной металлизации в порошке, содержащем 60 % металлического хрома или феррохрома, 37 % глинозема и 3 % концентрированной соляной кислоты. Деталь вместе с порошком укладывают в ящик, нагревают до температуры 9001050 ^оС и в зависимости от требуемой глубины хромируемого слоя выдерживают от 8 до 15 часов. Хромирование повышает поверхностную твердость, жаропрочность и износоустойчивость.

Химикотермическое хромирование, никелирование, цинкование и др. следует отличать от процесса гальванического покрытия.

Антифрикционные свойства.

Для улучшения антифрикционных свойств контактных поверхностей применяют: фосфатирование – метод осаждения на поверхности детали фосфатных пленок; сульфидирование – насыщение поверхност­ного слоя серой; графитирование – насыщение поверхностного слоя графитом, дисульфидом молибдена и пр. При умеренной твердости такие поверхности обладают малым коэффициентом трения, высокой устойчивостью против задиров, заедания и схватывания. Эти способы (особенно сульфидирование и обработка дисульфидом молибдена) увеличивают износостойкость стальных деталей в 1020 раз.