Повышение износостойкости и антифрикционных характеристик деталей газопламенным напылением покрытий

Улучшение эксплуатационных характеристик деталей машин связано с применением различных методов упрочняющей технологии. В последние десятилетия на промышленных предприятиях широкое распространение получили газотермические методы нанесения покрытий, в частности – газопламенное напыление.

Газопламенное напыление покрытий заключается в нанесении газовыми потоками на рабочую поверхность детали материала (проволоки, прутка или порошка), нагретого до жидкого или пластичного состояния. Нагрев исходного материала происходит в ацетилено-кислородном пламени. Покрытие формируется в результате соударения с поверхностью жидких капель или пластифицированных частиц и закрепления на ней.

Основными направлениями использования покрытий напыленных газопламенным методом являются:

1) увеличение износостойкости поверхностей деталей машин;

2) улучшение антифрикционных свойств рабочих поверхностей и снижение коэффициента трения;

3) улучшение прирабатываемости поверхностей деталей;

4) обеспечение хорошего удержания смазки на рабочих поверхностях деталей:

5) повышение стойкости к заеданию трущихся поверхностей;

6) замена дорогостоящих материалов при изготовлении деталей более дешевыми с нанесением на рабочие поверхности покрытий с необходимыми свойствами.

К достоинству газопламенного напыления относится возможность его применения для получения поверхностных слоев с заданными свойствами, как при изготовлении новых деталей, так и при восстановлении изношенных. При этом можно получать различные износостойкие, коррозионно-стойкие, антифрикционные покрытия.

Одной из основных особенностей метода газопламенного напыления является возможность получения пористых антифрикционных покрытий, обладающих свойством самосмазываемости. Пористые газопламенные покрытия имеют хорошую прирабатываемость, низкий коэффициент трения, повышенную сопротивляемость схватыванию и задирам поверхности при трении, высокую износостойкость. Детали машин с таким покрытием обладают также высокой сопротивляемостью фреттинг-коррозии, которая возникает в условиях относительного колебательного движения контактирующих поверхностей.

Геометрические характеристики качества пористой поверхности имеют следующие особенности: параметры микрорельефа поверхностного слоя зависят от формы и размеров пор, расстояния между ними; стадия приработки характеризуется меньшими изменениями параметров микрорельефа и условий контактного взаимодействия; в процессе износа поверхности ее геометрические параметры будут зависеть от распределения параметров пористости по глубине слоя.

Пористые газопламенные покрытия обладают высокой износостойкостью при трении со смазкой. В условиях сухого трения напыленные покрытия изнашиваются более интенсивно, чем аналогичные монолитные материалы. Основными факторами, повышающими стойкость пористых покрытий изнашиванию, являются уменьшение схватывания и повышение стойкости против задиров. Это связано с эффектом самосмазываемости и способности к задержанию в порах продуктов изнашивания.

Для предотвращения схватывания и глубинного вырывания необходимо присутствие на поверхности менее прочной пленки, чем основной материал. Это могут быть окисные и другие адсорбированные из окружающей среды пленки, либо пленка смазки. Поверхность металла обладает особо высокой способностью к взаимодействию с окружающей средой, что приводит к адсорбции атомов и молекул среды на внешних и внутренних поверхностях металла. В процессе трения происходит износ и восстановление этих пленок. В случае, когда скорость износа пленок больше скорости их образования может произойти схватывание контактирующих поверхностей. Пористые покрытия способны впитывать жидкую смазку и удерживать ее в слое и на рабочей поверхности. В процессе трения при повышении температуры происходит ее выделение из пор, благодаря чему исключается вероятность возникновения непосредственного металлического контакта трущихся поверхностей.

Задержка в порах частичек, образующихся при изнашивании материала поверхностей, может привести к качественному изменению характера трения. При попадании и задержании в порах частичек, сравнимых с ними по размерам возможен переход от трения скольжения к трению качения.

Появление эффекта самосмазывания можно ожидать только в определенных условиях. Это связано с ограниченностью размеров пор и периодичностью поступления из них смазочного материала при повышении температуры. Для детали, работающей в условиях смазки в паре с другой сопряженной деталью, пористость покрытия должна иметь определенное значение, а поры – размеры в заданном диапазоне.

Характер пористости получаемого напылением покрытия зависит от комплекса технологических параметров и режимов процесса напыления. К ним относятся: дистанция напыления, расход порошка, размер частиц порошка, соотношение рабочих газов в горючей смеси, температура предварительного подогрева основы, скорость вращения детали и перемещения термораспылительного устройства.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047

Пачевский В. М., Бобров Д. П.

Методы повышения адгезионной и когезионной прочности сцепления газопламенных покрытий

Одним из наиболее важных факторов надежной эксплуатации детали с покрытием, напыленным газопламенным методом, является прочность его сцепления с поверхностью основы. Невысокая прочность сцепления газопламенного покрытия с основным материалом возникает вследствие соединения разнородных материалов с отличающимися свойствами и дискретности материала покрытия.

Авторы работы [1] объясняют несоответствие реальной прочности сцепления покрытия с основой и рассчитанной для пары материалов (меньше в 10—1000 раз) совместным влиянием структурных дефектов границы раздела и остаточными напряжениями в ее плоскости. Возникновение структурных дефектов происходит из-за неполного контакта напыленных частиц с материалом основы и неполного развития между ними физико-химических связей. Различие физико-механических и теплофизических свойств материалов покрытия и основы приводят к возникновению значительных остаточных напряжений.

Обеспечение высоких прочностных показателей получаемых покрытий связано с определением оптимальных параметров режима напыления, подготовкой напыляемого материала и обрабатываемой поверхности, согласованием их свойств. Регулирование физико-химического взаимодействия материалов покрытия и подложки в процессе напыления позволяет получать поверхностные слои с высокими адгезионными и когезионными свойствами.

Покрытия, получаемые газопламенным методом, формируются при ударе дисперсных нагретых частиц с подложкой или с предыдущими остывшими частицами, их деформации и затвердевании.

Сцепление частиц покрытия может происходить за счет сил межмолекулярного взаимодействия, механического зацепления и химического взаимодействия. При этом основное влияние на образование прочного адгезионного и когезионного контакта оказывает химическое взаимодействие. Это определяет высокую значимость состава и температуры окружающей среды в зонах взаимодействия элементов системы газопламенного напыления – напыляемой частицы, основы, газовой струи и окружающей атмосферы.

Процесс взаимодействия напыляемых частиц с основой состоит из трех стадий: сближение частицы с основой до расстояния действия межатомных сил, образование химических связей между атомами и объемное взаимодействие частиц напыляемого материала и основного металла. Как уже сказано выше, определяющей стадией образования прочного адгезионного и когезионного контакта является стадия химического взаимодействия. Прочность сцепления определяется температурой частиц, скоростью (давлением в зоне контакта) и длительностью химического взаимодействия. Время установления связей при охлаждении частиц на подложке мало, поэтому для увеличения прочности сцепления необходимо активизировать процесс химического взаимодействия.

Активизацию процессов химического взаимодействия можно осуществить дополнительным введением энергии в зону их протекания за счет подогрева основы, повышения давления при контакте, увеличения времени кристаллизации (охлаждения) напыляемых частиц при одновременном подводе теплоты за счет генерирования ее при контакте (переход кинетической энергии в тепловую при ударе, выделение теплоты при протекании экзотермической реакции) [2].

В процессе нанесения покрытий газопламенным методом в напыленном слое возникают остаточные напряжения растяжения или сжатия, оказывающие влияние на их эксплуатационные свойства. Возникновение остаточных деформаций и напряжений происходит в результате значительных градиентов температур в охлаждаемых частицах и в формирующемся слое, разницы коэффициентов термического расширения покрытия и основы, неоднородности пластической деформации и изменений удельных объемов при фазовых превращениях.

Остаточные напряжения, а также их изменение по всей толщине напыленного слоя и в охлаждающихся частицах приводят к повышению хрупкости покрытий, уменьшают адгезионную и когезионную прочность покрытий, снижают их термостойкость, усталостную прочность. В некоторых случаях это может привести к отслоению покрытий на острых кромках и краях, их вспучиванию. Анализ напряжений в покрытиях, возникающих в процессе газопламенного напыления, способствует повышению их качества и эксплуатационных свойств. Напряжения можно уменьшить подбором материла подложки, коэффициент теплового расширения которого близок к материалу основы, а также использованием оптимальных тепловых режимов процесса газопламенного напыления.

Литература

1. Теория и практика газопламенного напыления/ П. А. Витязь, В. С. Ивашко, Е. Д. Манойло и др. – Мн.: Навука i тэхнiка, 1993. – 295 с.

2. Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик, Ю. С. Борисов, А. С. Мнухин, М. Д. Никитин. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1985. – 199 с., ил.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.004.67

М.В. Кондратьев, В.А. Кондратьев, В.И. Гунин

Дефектация изношенных деталей с точки зрения их дальнейшего восстановления

Целью дефектации разобранных деталей является определение их технического состояния и сортировка на соответствующие группы: подлежащие восстановлению и негодные.

В связи с возможным наличием как внешних, так и скрытых дефектов применяют визуальный осмотр и приборы, работа которых основана на неразрушающих методах контроля.

По последствиям работы дефекты деталей можно разделить на критические, значительные и малозначительные. Критический дефект – это дефект, при котором использование детали по назначению практически невозможно или исключается в соответствии с требованиями безопасности. Значительный дефект – это дефект, который существенно влияет на использование детали по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим. Малозначительный дефект – это дефект, который не оказывает существенного влияния на использование детали по назначению и на ее долговечность.

Дефекты по возможности исправления классифицируют на исправимые и неисправимые. Исправимые дефекты – это дефекты, устранение которых технически возможно и экономически целесообразно. К ним относят такие дефекты, как деформации, вмятины, обломы, износ поверхностей, задиры и другие дефекты, не ведущие к полной утрате работоспособности детали. Неисправимые дефекты – это дефекты, устранение которых технически невозможно или экономически нецелесообразно.

По причинам возникновения дефекты следует разделять на три класса: конструктивные, производственные и эксплуатационные.

Конструктивные дефекты – это дефекты, выражающиеся в несоответствии требованиям технологического задания. Причины таких дефектов могут быть весьма различны: ошибочный выбор материала изделия, неверное определение размеров деталей, режима термической обработки и т.д.

Производственные дефекты – это дефекты, выражающиеся в несоответствии требованиям нормативной документации на изготовление деталей. Такого рода дефекты возникают в результате нарушения технологического процесса при изготовлении или восстановлении деталей.

Производственные дефекты можно разделить на шесть групп.

Первая группа – дефекты плавления и литья (отклонение химического состава, ликвация, газовые поры, земляные и шлаковые включения, усадочные раковины, горячие и холодные трещины и др.).

Вторая группа – дефекты, возникающие при обработке давлением (поверхностные и внутренние трещины, разрывы, риски, расслоения, флокены, зажимы и т.д.).

Третья группа – дефекты термической, химико-термической и электротермической обработки (термические трещины, обезуглероживание, науглероживание, водородные трещины, перегрев, пережог, трещины отслаивания и др.).

Четвертая группа – дефекты механической обработки (отделочные трещины, прижоги, шлифовочные трещины, нарушение геометрических размеров).

Пятая группа – дефекты, возникающие при правке, монтаже и демонтаже (рихтовочные и монтажные трещины, погнутость, обломы резьбы, нарушение посадок).

Шестая группа – дефекты соединения металлов сваркой и наплавкой (раковины, поры, шлаковые включения, перегрев, изменение размеров зерна, горячие и холодные трещины, непровар, неполное заполнение шва, нахлест, смещение кромок шва, непропаивание, отслоение и др.).

Эксплуатационные дефекты – это дефекты. которые возникают в результате износа, усталости, коррозии и неправильной эксплуатации. В процессе эксплуатации наибольший процент отказов возникает в результате изнашивания деталей.

Учитывая, что каждому классу деталей присущи конструктивные особенности и определенные условия эксплуатации, можно ориентировочно установить характерные дефекты деталей каждого класса:

1. Толстостенные корпусные. Устранимыми дефектами являются: деформации, вмятины, сплошная коррозия, обломы, забитость резьбы и отверстий, износ. Неустранимыми дефектами являются: трещины усталостные, ползучести, контактные. Коррозия местная, межкристаллитная, щелевая, газовая, растрескивание под напряжением.

2. Тонкостенные корпусные. Устранимыми дефектами являются: деформации, вмятины, сплошная коррозия, разрывы. Неустранимыми дефектами являются: трещины усталостные, контактные. Коррозия местная, межкристаллитная, щелевая, газовая.

3. Прямые круглые стержни. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформации, обломы, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины термической усталости, усталостные, ползучести, контактные, растрескивание под напряжением.

4. Прямые круглые стержни с фасонной поверхностью. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформации, обломы, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины термической усталости, усталостные, ползучести, контактные. Коррозия местная, межкристаллитная, щелевая, газовая.

5. Полые стержни. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформация, задиры, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины термической усталости, усталостные, ползучести. Коррозия местная, межкристаллитная, газовая.

6. Диски с гладким периметром. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформация, обломы, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины термической усталости, усталостные, ползучести, контактные, растрескивание под напряжением. Коррозия местная, межкристаллитная.

7. Диски с фасонным периметром. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформация, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины усталостные, ползучести, контактные. Коррозия местная, межкристаллитная, газовая, щелевая.

8. Некруглые стержни. Устранимыми дефектами являются: износ поверхности, деформация, обломы, сплошная коррозия. Неустранимыми дефектами являются: трещины усталостные, термической ползучести, контактные. Коррозия местная, межкристаллитная, щелевая.

Исходя из данной классификации можно определить наиболее эффектный метод устранения дефектов для каждого конкретного случая.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.004.67

М.В. Кондратьев, В.А. Кондратьев, В.И. Гунин

Новое и перспективное в процессе восстановления изношенных поверхностей деталей

В настоящее время помимо традиционных, давно изученных и широко применяемых методов восстановления изношенных поверхностей деталей разрабатываются и новые, уникальные способы, позволяющие не только восстановить геометрию и физико-механические свойства поверхностей деталей различных форм, размеров и материалов, но и значительно улучшить такие характеристики детали, как износостойкость, твердость и прочность поверхности.

Все это стало возможным благодаря применению в процессе восстановления новых технологий (лазерная сварка, молекулярные клеи нового поколения) или ранее не используемых сочетаний традиционных методов восстановления и технологических приемов (наплавка с одновременным упрочнением).

Использование новых методов открывает широкие возможности в области восстановления деталей за счет высокой производительности (в 2-3 раза большей, чем у традиционных методов), универсальности (применимы практически для любых материалов, используемых в машиностроении и для любых форм и размеров поверхности) и благодаря отличным показателям восстановленного слоя (возможно увеличение износостойкости на 100-150%, увеличение твердости до 80% от исходного материала).

Однако эти способы восстановления имеют также и ряд недостатков. Например, лазерные технологии чрезвычайно дороги из-за высокой стоимости оборудования и потребности в мощном источнике энергии, что практически сводит на нет применение их в промышленном масштабе в области восстановления деталей.

Так называемая холодная молекулярная сварка позволяет получить новую поверхность детали с широким спектром таких показателей, как толщина, твердость, материал восстановленного слоя. Применение холодной молекулярной сварки нередко позволяет избежать дальнейшей механической обработки, т.к. наряду с формированием рабочей поверхности детали путем механической обработки затвердевшего композита расходные материалы позволяют формировать геометрию рабочей поверхности восстанавливаемой детали в период пластичного состояния композиционных материалов. Но применение данного способа ограничено относительно высокой хрупкостью наращенной поверхности и недостаточной силой сцепления ее с материалом основной детали (до 50 МПа). В настоящее время ведутся разработки по поиску решения, позволяющего увеличить силу сцепления восстановленного слоя с материалом детали за счет нанесения шероховатости на восстанавливаемую поверхность.

Процесс одновременного упрочнения наплавляемого слоя значительно (до 80%) увеличивает его твердость и износостойкость, что нередко ведет к увеличению износа поверхности ответной детали.

Перспективен также и метод холодного газодинамического восстановления деталей, представляющий собой нанесение частиц порошка на изношенную поверхность детали, ускоренных сверхзвуковой струей газа (с давлением 0,5-2,0 МПа) с температурой 50-400 ºС, что существенно меньше температуры плавления материала порошка. Данный метод интересен отсутствием существенных термических воздействий на деталь, возможностью получения покрытий со свойствами, близкими к свойствам материала исходных частиц ввиду отсутствия существенного их нагрева и, в частности, высокотемпературного окисления в процессе их ускорения.

Вместе с тем, что данные методы не позволяют в настоящее время использовать их в производственном масштабе, они представляют серьезный интерес для исследования и способны, в будущем, выйти на лидирующие позиции в области применения в восстановлении изношенных поверхностей деталей, обогнав традиционные, давно изученные и широко применяемые способы восстановления.

Так, например, упрочнение наращиваемого слоя при восстановлении оставляет широкое поле для исследования в связи с возможностью широко варьировать параметры упрочнения с целью достижения оптимального результата, удовлетворяющего техническим условиям работы детали в паре трения.

Особенно перспективны в настоящее время исследования, позволяющие обеспечить возможность нестационарного применения процесса восстановления. Так как зачастую требуется безостановочная работа машин и механизмов данные исследования позволят значительно сократить время простоя оборудования и снизить затраты на его ремонт.

В паре с нестационарным использованием процесса восстановления стоит также и целый ряд вопросов: это вопрос о создании такого способа, который позволит восстанавливать изношенные поверхности деталей без последующей механической обработки и проблема восстановления деталей без полной разборки узла оборудования.

Решение данных проблем позволит значительно сократить время ремонта, а, следовательно, и простоя оборудования.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.961.2.015

А.А. Бойко, А.Ю. Бойко

ШТАМП ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ВЫРУБКИ С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМ ЗАЖИМОМ

Чистовая вырубка со сжатием является наиболее совершенным способом изготовления деталей сложного контура повышенной точности с гладкой поверхностью среза, не требующих дальнейшей доработки на фрезерных, шлифовальных и доводочных станках. Высокое качество поверхности среза достигается сжатием заготовки между прижимным кольцом и матрицей с удельным усилием не менее предела текучести штампуемого материала, что создает в очаге деформации всестороннее неравномерно сжатое объёмное напряжённое состояние, повышающее пластические свойства металла. При этом для предотвращения деформации самой вырубаемой детали и сохранения её плоской необходимо применение дополнительного торцевого противодавления со стороны контр-пуансона.

При достаточном зажиме заготовки и вырубаемой детали способ обеспечивает высокое качество штамповки не только из пластичных, но и из труднодеформируемых сталей. Рекомендуемые соотношения технологического усилия среза, усилия прижима кольцом и усилия контр-пуансона при проектировании оборудования по материалам зарубежных и отечественных фирм: Р_т /Р_п /Р_к=1/0,5/0,25 [1, 2, 3].

Чистовая вырубка со сжатием осуществляется в штампах, устанавливаемых на специальных прессах тройного действия или универсальных кривошипных прессах, оснащённых гидромеханическими штампами. Во всех вариантах используются устройства, автономно развивающие усилие вырубки, усилие прижима и усилие противодавления и полное (суммарное) усилие, развиваемое прессом в 1,65÷2,25 раза выше, чем при обычной вырубке. Отметим, что при чистовой пробивке по рассмотренной схеме, контр-пуансон должен не только удержать деталь от прогиба, но и создать необходимое удельное давление, выполняя функции прижимного кольца при вырубке.

Вероятно, конструктивная сложность специального оборудования и чрезмерное завышение требуемых силовых характеристик при использовании универсальных прессов являются основными причинами не столь широкого распространения перспективного технологического процесса.

Д ля устранения указанных причин предлагается в конструкцию штампа привнести следящую, обособленную (дифференцированную) подсистему, преобразующую реакцию инструмента от воздействия объекта обработки в дополнительное воздействие на него, позволяющую добиваться полной дифференциации силового потока дополнительного воздействия от главного силового потока технологического воздействия. В этом случае не происходит их сложения, и не возрастает усилие, развиваемое главным исполнительным механизмом.

Нижняя половина штампа имеет цилиндрический корпус 1, установленный на столе пресса посредством опорного плунжера 2. Внутри цилиндра установлен плунжер-матрица 3. Объём цилиндра между опорным плунжером и плунжер-матрицей заполнен эластичной средой 4. С внутренней стороны верхнего торца цилиндра установлен прижим (не показан). В отверстии плунжер-матрицы установлен с возможностью осевого относительного перемещения контр-пуансон 5. Контр-пуансон установлен на пальце 6, проходящем сквозь радиальные сквозные пазы цилиндра и плунжер-матрицы. Палец установлен в радиальном сквозном отверстии цилиндра 7 верхней половины штампа, установленного на ползуне пресса посредством опорного плунжера 8 соосно цилиндру 1, охватывая их внутренними цилиндрическими поверхностями, и с возможностью осевого перемещения относительно них. В цилиндре 7 установлен также плунжер-пуансон 9 с возможностью осевого относительного перемещения. Полость цилиндра 7 между плунжер-пуансоном и опорным плунжером 8 заполнена эластичной средой 10.

При ходе ползуна вниз плунжер-пуансон 9 контактирует с заготовкой, передающей усилие со стороны пуансона плунжер-матрице 3, под действием которого эластичная среда 4 сжимается и перемещает корпус цилиндра 1 вниз до зажима заготовки. Одновременно с этим эластичная среда 10 сжимается под действием плунжер-пуансона 9 и перемещает корпус цилиндра 7 совместно с контр-пуансоном 5 до контакта с вырубаемой деталью. Необходимым условием зажима заготовки и вырубаемой детали является меньшая площадь опорных плунжеров по сравнению с площадью плунжер-матрицы и плунжер-пуансона соответственно.

Дальнейшее перемещения ползуна вниз приводит к сдвигу верхней половины штампа с зажатой деталью относительно нижней половины штампа с зажатой заготовкой. При этом ползун пресса воспринимает только технологическое усилие вырубки, а усилия зажима уравновешиваются на каждом из корпусов цилиндров соответственно.

Литература:

1. Рекомендации по проектированию технологических процессов чистовой вырубки./ЭНИКМАШ, Воронеж, 1974.

2. Вишневский Н.С., Овчинников А.Г. Чистовая вырубка со сжатием применительно к изготовлению деталей оптических приборов.- М., ЦНИИ информации, 1974.

3. 12 В188. Требования к прессам для чистовой вырубки. Anforderungen an moderne Feinschneidpressen/ Haack Johannes. «VDI - Zeitschrift», 1986, 128, №12, 479-483, XVIII (нем.) РЖ «Технология машиностроения»/14В.Технология и оборудование кузнечно-штамповочного производства, №12, Москва, 1986.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.961.2.06

А.Ю. Бойко, Э.Х. Милушев, Р.А. Сапов