книги из ГПНТБ / Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта учеб. пособие

ставляющие собой синтетическую смолу, применяют в растворе с отвердителем «951» (алифатический полиамин).

Клей «ардукс» этой же фирмы предназначен для склеивания резины с металлом (при изготовлении гуммированных металло­ конструкций, испытывающих вибрационные нагрузки).

Восстановление при помощи пластмасс. Антикоррозионные и декоративные свойства деталей можно восстанавливать нанося тонкослойные покрытия из полимеров путем газопламенного, ви­ хревого и вибрационного напыления.

При газопламенном напылении смесь воздуха и порошка пласт­ массы пропускают через газовое пламя и направляют на поверх­ ность детали. В результате постепенного осаждения расплавлен­ ных частиц пластмассы на детали образуется тонкий слой по­ крытия.

При вихревом способе предварительно нагретую деталь (до температуры на 30—40° С выше точки плавления пластмассы) по­ гружают во взвихренный сжатым воздухом слой порошкообраз­ ной пластмассы. Частицы пластмассы, соприкасаясь с нагретой поверхностью детали, оплавляются и образуют на ней слой покры­ тия толщиной 0,8—1 мм.

При вибрационном способе нагретую деталь погружают в под­ вергаемый вибрации слой пластмассового порошка.

Перед нанесением пластмассы закругляют острые кромки, про­ водят дробеструйную обработку и промывают детали органиче­ ским растворителем (ацетоном, авиационным бензином). После нанесения покрытия детали выдерживают в течение 3—5 с на воздухе, затем охлаждают в масле.

Для покрытий применяют поделочный текстолит, гетинакс, стеклотекстолиты, стеклопласты и т. д.

Капроновое покрытие можно наносить на поверхности вра­ щения деталей методом «втирания» (Великолукский сельскохозяй­ ственный институт). Деталь устанавливают на токарно-винторез­ ный станок и нагревают до температуры 200° С. В суппорт закреп­ ляют капроновый карандаш (капроновый стержень в металличе­ ской трубке с винтом подачи). При вращении детали к ней под­ водят карандаш и сообщают ему продольную подачу. За счет теп­ ла детали и тепла от трения карандаш оплавляется, и капроновое покрытие наносится на деталь.

Толщина покрытия определяется режимами процесса. Наилуч­ шая адгезия покрытия с металлом достигается при толщине по­

крытия 0,14—0,16 мм при грубо обработанной металлической по­ верхности.

Восстановление деформированием. Деформирование применя­ ют при ремонте деталей механизмов, устройств и элементов корпу­ са судна с целью восстановления первоначальной геометрической формы, а иногда — первоначальных размеров.

Для восстановления первоначальных размеров применяют раз­ дачу и обжатие, используя специальные оправки (для раздачи) и кольца или втулки (для обжатия).

180

С помощью раздачи восстанавливают, например, первоначаль­ ные наружные размеры полых поршневых пальцев, путем обжа­ тия— внутренние размеры подшипниковых втулок (их наружный диаметр в этом случае восстанавливают с помощью гальванопо­ крытий) .

Для восстановления первоначальных геометрических форм при­ меняют различные способы правки; наиболее распространены ме­ ханический, термический и термомеханический.

Правке чаще всего подвергают детали типа валов и листы на­ ружной обшивки корпуса судна. Часто встречается правка лопастей гребных винтов.

Рассмотрим способы правки на примере валов.

Механический и термический способы применяют в том случае, если величины напряжений в материале вала в результате изгиба не превышают предела текучести материала более чем на 15%. В противном случае, а также если материал вала содержит угле­ рода более 0,45% и суммарное количество присадок более 2,5% применяют термомеханический способ правки.

Величину прогиба вала, при котором напряжения не превыша­ ют предельного значения, определяют по формулам в зависимости от места расположения изгиба:

при изгибе конца вала

_/пред== 1 >15 3EJ СМ

при расположении места максимального изгиба на середине между двумя опорами:

/п р е Д = и 5 ^ С М .

Вэтих формулах зт — предел текучести материала вала, кгс/см2;

U7=0,\d 3— момент сопротивления сечения вала, см3; I — длина отогнутого конца вала, см;

Е — модуль упругости, кгс/см2;

/= 0,05 flf4— момент инерции сечения вала, см4; L — расстояние между опорами, см.

Возможность использования механического способа правки ва­ лов без подогрева оговорена в Правилах Регистра СССР. Допу­ скается механическая правка валов диаметром до 200 мм в холод­ ном состоянии в том случае, если стрелка прогиба не превышает 1 мм на 1 м длины вала.

Сущность механического способа заключается в том, что вал, как правило, укладывают на две опоры выпуклостью вверх и к месту максимального изгиба прикладывают механическое усилие (обычно с помощью гидравлического домкрата), достаточное для ликвидации изгиба.

К механическому способу относится правка наклепом, довольно часто используемая при ремонте деталей механизмов. В этом слу­ чае участок вала наклепывают с вогнутой стороны по дуге 120°.

181

Сжатые волокна вала (с вогнутой стороны) удлиняются, и вал

выравнивается.

Наклепывание производят специальным инструментом — чека­ ном, который может быть заложен в пневматический молоток. Ши­ рина чекана составляет 15—40 мм, толщина — не более 10 мм. Рабочую ударную часть выполняют по радиусу вала. Вал при этом способе правки устанавливают на две опоры или в центры приспособления (токарно-винторезного станка).

При термическом способе в месте максимального изгиба вал обертывают мокрым асбестом. На выпуклой стороне вырезают окно размером по оси вала 30—40 мм, по окружности— 100—120°. Через окно вал быстро прогревают газовыми горелками до тем­ пературы 500—650° С. Когда дополнительный прогиб вала от на­ грева достигнет 5—6-кратной величины первоначального прогиба, прогрев прекращают, окно закрывают сухим асбестом и дают ва­ лу остыть. При остывании нагретые волокна укорачиваются, и деформации устраняются. При необходимости правку повторяют.

Термомеханический способ правки применяют в тех случаях, когда другими способами выправить вал нельзя. Вал, как и при механической правке, укладывают на две опоры выпуклостью вверх. В месте максимального изгиба участок вала прогревают по всей окружности до температуры 800—850° С, затем с помощью гид­ равлического домкрата прикладывают соответствующее усилие для устранения деформации. Для того чтобы избежать перегиба вала, под него укладывают ограничительную стальную прокладку.

После правки валы и другие ответственные детали механизмов

иустройств подвергают термической обработке (обычно отжигу) для снятия внутренних напряжений, возникающих во время изгиба

иправки. При термическом способе правки для устранения дефор­ маций элементов корпуса судна, выполненных из малоуглероди­ стых сталей, для ускорения применяют жесткие режимы охлаж­

дения струей сжатого воздуха или водой.

§ 52. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛА

Большая часть деталей и самих судовых механизмов (около 90%) выходит из строя вследствие физического износа и усталост­ ных разрушений. Повышение срока безотказной работы механиз­ мов— одна из основных проблем машиностроения.

При работе механизмов вследствие истирания, теплового и хи­ мического воздействия и других факторов изменяются первона­ чальные размеры и форма деталей. В процессе длительного меха­ нического, теплового и химического воздействия прежде всего в поверхностных слоях деталей изменяются физико-механические свойства металла, что приводит к повышению износа и нарушению работоспособности отдельных сопряжений и узлов механизма.

Большинство деталей механизмов в условиях эксплуатации на­ ходится под воздействием нагрузок, изменяющихся по величине и

182

направлению. Если эти изменения происходят периодически по определенному закону, то нагрузку и возникающие в детали напря­ жения принято называть циклическими.

Основной причиной разрушения деталей, работающих в усло­ виях циклического нагружения, является усталость металла. Уста­ лостное разрушение наступает прц напряжениях, величина кото­ рых меньше пределов текучести и прочности металла. Причем в период, предшествующий разрушению, не наблюдается скольконибудь заметных нарушений металла. Лишь перед самой полом­ кой в детали образуются трещины усталости, вызывающие хруп­ кое, почти мгновенное ее разрушение.

Усталостное разрушение начинается главным образом с поверх­ ностного слоя. Поэтому предел выносливости в отличие от других прочностных характеристик (пределов упругости, текучести, проч­ ности) во многом зависит от состояния поверхности детали. Нека­ чественная механическая обработка (мелкие трещины на поверх­ ности, надрезы, риски) резко снижает усталостную прочность де­ тали).

Дефекты поверхности, становясь в процессе циклического на­ гружения концентраторами напряжений, образуют очаги возник­ новения усталостных трещин, которые, разрастаясь, приводят к разрушению детали. Следовательно, улучшение микрогеометрии поверхности, ее упрочнение способствуют прежде всего увеличению усталостной прочности всей детали. Именно на этой основе воз­ никли различные методы упрочнения.

Упрочнение — это преднамеренное искажение кристаллической решетки металла в результате механического воздействия, терми­ ческой или термохимической обработки, легирования и т. д. Установлено, что основные теоретические положения повышения усталостной прочности связаны с возникновением трех родов остаточных напряжений — первого, второго и третьего рода.

Напряжения первого рода возникают в пределах, соизмеримых с размерами участка детали; напряжения второго рода — в преде­ лах зерен металла; напряжения третьего рода—-в пределах кри­ сталлической решетки.

Атомная решетка кристаллита реального металла по своему строению не идеальна и в различных участках может иметь ис­ кажения вследствие:

отсутствия атомов в некоторых узлах; наличия между узлами пространственной решетки основного

металла атомов какого-либо химического элемента (примеси); напряжений термического характера, возникающих при нерав­

номерном охлаждении расплава.

Такие искажения пространственной решетки кристаллита, на­ зываемые вакансиями и дислокациями, приводят к неоднородно­ сти (мозаичности) его строения.

Механизм пластической деформации и процессы, протекающие при этом, зависят не только от строения и свойств металла, но также от температуры и скорости деформации.

183

При упрочняющей обработке металлов давлением наибольший практический и теоретический интерес представляет явление уп­ рочнения, сопровождающее холодную пластическую деформацию.

Из всех современных теорий, объясняющих природу пластиче­ ской деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наи­ более достоверной является дислокационная. Кристалл в исходном состоянии содержит большое число дислокаций, расположенных з виде пространственной сетки. Пластическая деформация представ­ ляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу.

Упрочнение происходит в результате упругого взаимодействия дислокаций, особенно при сравнительно небольших степенях дефор­ мации (20—30%). Твердость металла при этом возрастает при­ близительно в 2 раза. Дальнейшая деформация сопровождается меньшей интенсивностью упрочнения. При упрочнении создается тонкая структура металла с большим количеством искажений кри­ сталлической решетки, задерживающих движение дислокаций и способствующих увеличению числа участков, где одновременно развивается пластическая деформация.

Различные металлы в разной степени подвергаются пластичес­ кой деформации и упрочнению. Металлы, у которых большая разность между пределом прочности ав и пределом текучести ат, допускают большие пластические деформации и большее упрочне­ ние. Металлы, у которых разность между ав и ат небольшая, пла­ стически почти не деформируются и при попытке деформирования хрупко разрушаются.

При упрочнении повышается предел прочности металла и уменьшается разность между ав и ат. Увеличение содержания уг­ лерода в стали способствует увеличению дислокаций, в связи с чем увеличивается число атомов, одновременно участвующих в сопротивлении деформации, увеличивается прочность металла.

Дальнейшего увеличения прочности стали достигают путем улучшения свойств кристаллов в микрообъемах, например легиро­ ванием. При легировании повышается прочность сплава вследст­ вие более эффективного использования межатомных связей (на­ пример, мартенситных сталей) и повышения самой прочности меж­ атомных связей (например, при легировании железа хромом).

Проблема повышения надежности судовых механизмов осо­ бенно актуальна в связи с созданием новых типов, работающих на высоких параметрах и нагрузках. Разработку новых технологиче­ ских процессов упрочнения с целью увеличения долговечности ме­ ханизмов ведут в направлении изыскания физических средств воз­ действия на рабочую поверхность деталей и элементы кристалли­ ческой решетки.

В производственных условиях машиностроительных и судоре­ монтных предприятий детали механизмов упрочняют термически­ ми, термохимическими, механическими способами, а также специ­ альными комплексными способами, основанными на фазовых структурных превращениях и пластической деформации металлов.

184

С появлением новой теории трения и износа, основанной нз законах физико-химической механики и молекулярно-механической теории, оказывается возможным создание безызносных пар трения (при наличии стальной детали с неупрочненной и неупрочняющейся поверхностью). Для таких пар упрочнение является отрица­ тельным фактором.

§ 53. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Методы упрочнения металлических деталей судовых механиз­ мов по физической сущности и технологии исполнения классифи­ цируют на: термические и термохимические, механические, термо­ механические, электромеханические, электроискровые и др.

Перечисленные методы применяют в первую очередь для по­ вышения прочностных характеристик наиболее нагруженных, от­ ветственных деталей судовых механизмов (валов, штоков, шесте­ рен и т. д.), выполненных из углеродистых и легированных сталей. Термохимические и механические методы применяют также для упрочнения чугунных деталей, работающих на истирание (втулок цилиндров, направляющих втулок клапанов).

Упрочнение может быть общим (по всему сечению детали) и поверхностным. Общее упрочнение обеспечивается термической обработкой (закалкой, улучшением) иногда механической (объем­ ной пластической деформацией). Поверхностное упрочнение можно производить любым методом.

Для упрочнения тяжело нагруженных деталей наиболее целе­ сообразным является сочетание термического и поверхностного механического методов упрочнения. Например, при упрочнении ко­ ленчатых валов тяжело нагруженных двигателей вначале произво­ дят общее упрочнение (закалку), а затем — поверхностное упроч­ нение рабочих шеек (пластическую деформацию — накатку).

Выбор метода упрочнения требует тщательного анализа усло­ вий работы детали, учета характера напряженного состояния и остаточных напряжений, учета типов концентраторов напряжений, экономической целесообразности.

Оптимальные методы упрочнения деталей определяют на ос­ нове теоретических расчетов и опыта эксплуатации деталей в ра­ бочих условиях, а также на основе натурных или полунатурных испытаний.

Термическое и термохимическое упрочнение. К т е р м и ч е с ­ к и м методам относят закалку, улучшение, обработку холодом.

После закалки детали для уменьшения хрупкости и снятия за­ калочных напряжений производят отпуск, температуру которого определяют в зависимости от того, какие свойства требуется обес­ печить.

Для уменьшения объемных изменений и коробления применяют ступенчатую и изотермическую закалку. Распространяются ваку­ умная закалка и отжиг, позволяющие получать металл более вы­ сокого качества.

185

Хорошие результаты дает сочетание закалки с действием маг­ нитного поля — так называемая термомагнитная обработка: в мо­ мент закалки, когда происходят аустенитно-мартенситные превра­ щения, на деталь воздействуют магнитным полем. В результате блоки значительно измельчаются, а кристаллы мартенсита прини­ мают одну ориентацию во всех зернах. Прочность стали после та­ кой обработки повышается на 35—70 кгс/мм2.

Термомагнитную обработку можно осуществить различными способами. Например, деталь нагревают постоянным током до температуры закалки, а затем, не выключая тока, охлаждают жидкостью или воздухом.

Для повышения прочностных характеристик поверхностных сло­ ев и износоустойчивости детали применяют поверхностную закал­ ку на глубину 2—4 мм. Поверхность детали быстро нагревают до температуры выше критической точки ЛСз (для аустенизации) и быстро охлаждают со скоростью выше критической для получения мартенсита.

Для нагрева при поверхностной закалке применяют токи вы­ сокой частоты и специальные газопламенные горелки (при закалке крупных деталей).

Советский инженер И. 3. Ясногорский предложил метод поверх­ ностной закалки в электролите, основанный на физическом явле­ нии, называемом эффектом нагрева катода. Тепловой эффект при нагреве металла в электролите связан с прохождением искровых разрядов через пароводородную оболочку, возникающую у поверх­ ности нагреваемой детали (катода).

В качестве электролита обычно применяют водный 5—10%-ный раствор кальцинированной соды. Закаливаемую деталь опускают в ванну с электролитом и присоединяют к отрицательному полю­ су генератора постоянного тока напряжением 200—220 В. Деталь нагревают за несколько секунд при мощности тока 0,6— 1,25 кВт, после чего ток выключают. Охлаждающей средой является тот же электролит.

При таком способе поверхностной закалки происходит глубокий прогрев поверхностного слоя и плавный спад температуры по сече­ нию нагреваемой детали, что обеспечивает снижение остаточных растягивающих напряжений в металле и предотвращает образова­ ние закалочных трещин.

Обработку холодом применяют для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной легированной стали, содер­ жащей более 0,4—0,5% С, так как остаточный аустенит снижает твердость и износоустойчивость. Обработка холодом стабилизи­ рует также размеры деталей, что особенно важно для деталей прецизионных пар (плунжерные пары топливных насосов).

При обработке холодом деталь медленно охлаждают до тем­ пературы окончания мартенситного превращения—минус 30—70° С. Обработку холодом выполняют сразу после Закалки. Затем про­ изводят отпуск. Для охлаждения деталей обычно используют жидкий азот.

186

Для придания поверхностным слоям деталей специальных свойств (повышенной износоустойчивости, окалиностойкости ит. д.) применяют т е р м о х и м и ч е с к и е методы обработки: цемента­ цию (науглероживание) с последующей закалкой, азотирование, цианирование (насыщение углеродом и азотом) с последующей за­ калкой, сульфидирование (насыщение серой), борирование (на­ сыщение бором) и др.

Насыщения производят на глубину 0,3—0,9 мм путем выдержки нагретой детали (в среднем до температуры 500—600° С) в соот­ ветствующей среде в течение определенного времени (нескольких часов).

В последнее время стали успешно применять комплексные тер­ мохимические методы обработки деталей: сульфоцианирование, хромосилицирование (насыщение хромом и кремнием), боросилицирование; карбоборирование (насыщение углеродом и бором), хромоазотирование и др.

Все комплексные покрытия такого рода характеризуются боль­ шой поверхностной твердостью (1000—2000 кгс/мм2) и высо­ кой износоустойчивостью в разнообразных условиях. Комплексные насыщения в различном сочетании и последовательности позволя­ ют создать износостойкую поверхность с высокой окалиностойкостью и коррозионной стойкостью и жаропрочностью.

Заслуживают внимания новые способы термохимической обра­ ботки: ионная и энерговыделяющими пастами.

Из химии известно, что наибольшую активность газы прояв­ ляют в ионизированном состоянии. На этом основан новый уско­ ренный метод термохимической обработки: так называемые ион­ ное азотирование, ионная цементация, ионное хромирование и т. д.

Ионную термохимическую обработку производят в герметиче­ ски закрытой камере в атмосфере тлеющего дугового или искро­ вого разряда.

Например, при ионном азотировании деталь помещают в каме­ ру, из которой затем вакуумным насосом откачивают воздух. Ка­ меру заполняют газообразным аммиаком и производят электриче­ ский разряд. При этом электроды служат анодом, а азотируемая деталь — катодом. Аммиак диссоциирует, распадаясь на ионы азо­ та и водорода. Электрическое поле разгоняет их до 50 эВ, ионы начинают бомбардировать поверхность детали, и азот быстро насыщает поверхностные слои.

При термохимической обработке энерговыделяющими пастами деталь намазывают энерговыделяющей пастой, которую поджига­ ют. При горении пасты деталь сильно разогревается (на поверхно­ сти до 600—800°С), а легирующие элементы, содержащиеся в пас­ те, проникают в верхние слои детали. Через 2—3 мин обгоревшую деталь погружают в воду для охлаждения.

В качестве энерговыделяющих компонентов в пасте используют смеси кислородосодержащих веществ с порошками алюминия, маг­ ния, кальция и других металлов. В пасту вводят также диффузион­ но-активное вещество, которое при нагреве выделяет легирующий

187

элемент. Для получения требуемой консистенции в пасту добав­ ляют связующее вещество.

С помощью энерговыделяющих паст производят алитирование, {зорирование, карбонитрирование и другие виды термохимической обработки, возможные в судовых условиях.

Механическое упрочнение. К механическим методам упрочне­ ния относят: обкатку (раскатку) шариком или роликом, протяж­ ку, дробеструйную обработку, гидроструйную обработку, упрочне­ ние взрывом, объемное пластическое деформирование, упрочнение полиморфической трансформацией висмута и др.

Рис. 72. Трехроликовое приспособление для обкатки деталей

Первые пять перечисленных методов применяют для поверхно­ стного упрочнения деталей, а два остальных — для общего уп­ рочнения.

Обкатке (раскатке) обычно подвергают поверхности вращения деталей (рабочие шейки валов, поверхности втулок цилиндров

188

и др.)- Иногда обкатывают и плоские поверхности. При обкатке одновременно с упрочнением повышается класс чистоты поверхно­ сти (на 1—2 класса).

дольной подаче шарика или ролика 0,2—0,5 мм и скорости нака­ тывания 30—35 м/мин.

Виброобкатывание по сравнению с обычным дает более высо­ кую твердость и большую глубину наклепа. Виброобкатывание производят обычно в центрах 3 (рис. 73) токарно-винторезного станка шариком 2, который совершает дополнительные колеба­ тельные (осциллирующие) движения параллельно оси вращения детали 1 в плоскости, проходящей через ось вращения. При этом число двойных ходов шарика достигает 2600 в минуту, амплитуда колебания — 2 мм.

При виброобкатывании галтелей коленчатых валов применяют инструмент, совершающий колебания в направлении, перпенди­ кулярном к оси вращения детали.

Процесс упрочнения значительно интенсифицируется при нало­ жении на деформирующий элемент (ролик) колебаний ультра­

189