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

звуковой частоты, направляемых перпендикулярно обрабатываемой поверхности. Такое ультразвуковое виброобкатывание позволяет при весьма малых статических усилиях обкатывания обеспечить высокую степень упрочнения. Снижению усилия в данном случае способствует высокая температура процесса, достигающая на по­ верхности детали в месте контакта с инструментом (роликом или шариком) 1000—1200° С.

Таким образом, сущность ультразвукового виброобкатывания заключается в термопластическом деформировании материала по­ верхностного слоя детали роликом (или шариком), вибрирующим с частотой 18—25 кГц.

Рис. 75. Упрочнение поверхности отверстий

Для образования колебаний ультразвуковой частоты использу­ ют генератор, который подает импульсы на магнитно-стрикционный вибратор. Вибратор связан с деформирующим элементом посредст­ вом трансформатора амплитуды, позволяющего увеличивать амп­ литуду колебаний.

Особенно эффективно ультразвуковое виброобкатывание при упрочнении закаленных сталей и чугунов, так как использование в этих случаях обычных методов упрочняющего обкатывания связа­ но с созданием высоких контактных давлений. А у чугунов при этом контактное давление необходимо выдерживать в весьма узких пределах.

Обкатывать поверхности можно также шариками, закреплен­ ными с небольшим зазором в гнездах вращающегося диска (рис. 74). Диск с помощью суппорта, на котором закреплено при­ способление для обкатывания, подводят с небольшим зазором к детали. При вращении диска шарики под действием центробеж­ ной силы отбрасываются в свое крайнее положение и поочередно ударяют по детали.

При упрочнении поверхностей небольших отверстий (рис. 75) применяют дорны, протяжки (а) и шарики (б). Зубья у дорнов и протяжек выполняют с подъемом 0,003—0,005 мм при обработке твердых материалов и до 0,02 мм — при обработке мягких мате­ риалов. При упрочнении шариками последние выполняют с разни­ цей в диаметре 0,01—0,02 мм.

190

Дробеструйная обработка заключается в том, что на предвари­ тельно механически и термически обработанную поверхность де­ тали с большой скоростью направляют поток стальной или чугун­ ной дроби диаметром 0,5—1,5 мм. При выборе размера дроби учи­ тывают, что с уменьшением ее диаметра улучшается чистота по­ верхности, а с увеличением диаметра увеличивается глубина уп­ рочненного слоя. Дробь направляется на упрочненную поверхность сжатым воздухом либо отбрасывается лопатками вращающегося колеса.

При гидроструйной обработке на упрочняемую поверхность по­ дается через сопло под большим давлением (4000—6000 кгс/см2)

13 —

струя воды. Гидроструйной обработке подвергают детали, прошед­ шие окончательную механическую обработку. Водяная струя по­ зволяет упрочнять поверхности сложной конфигурации с пазами, отверстиями, внутренними полостями и т. д.

Упрочнение взрывом осуществляют двумя способами:

ударом твердого тела (пластины), движущегося под воздейст­ вием взрывной волны;

контактным упрочнением, которое достигается воздействием взрывной ударной волны на поверхности детали.

Ударом твердого тела упрочняют плоские поверхности.

Под воздействием взрывной ударной волны (рис. 76) пласти­ на 2 с большой скоростью ударяет по поверхности детали 3, тем самым упрочняя ее.

В качестве взрывчатых веществ 1 в данном случае применяют порошкообразные насыпные бризантные вещества (аммонит, гек­ соген и др.).

При контактном упрочнении (рис. 77) заряд взрывчатого ве­ щества 1 помещают непосредственно на упрочняемую поверхность. Иногда между зарядом и упрочняемой поверхностью размещают защитные прокладки 2 из резины, картона, металла и других ма­ териалов. Прокладки служат для предотвращения возможных по-

191

вреждений упрочняемой поверхности детали продуктами взрыва. Заряд взрывчатого вещества может располагаться и на некотором расстоянии от упрочняемой поверхности с образованием между за­ рядом и поверхностью, например, воздушной или водяной подушки.

При контактном упрочнении применяют порошкообразные и пластичные взрывчатые вещества (последние для упрочнения де­ талей сложной конфигурации). Для детонации взрывчатого веще­ ства служит запал 5.

Для обеспечения безопасности практикуют помещение упроч­ няемой детали 4 с зарядом в воду 6. В этом случае заряд поме­ щают дополнительно в полиэтиленовую оболочку 3.

Объемное пластическое деформирование производят обычно скручиванием заготовки на небольшой угол (как перед термиче­ ской обработкой, так и после нее). Этот метод упрочнения исполь­ зуют для повышения механических свойств таких деталей, как пружины, карданные и торсионные валы, ответственные болты, шпильки и др. Причем, прочностные характеристики материала не снижаются и тогда, когда на детали вытачивают поперечные канавки, нарезают резьбу, прострагивают пазы и т. д.

Упрочнение полиморфической трансформацией висмута отно­ сится, по существу, тоже к объемным методам упрочнения. Суть этого способа заключается в обжатии детали большим давлением, в силу чего упрочнение.происходит по всему объему. При этом зна­ чительно возрастает предел усталости, уменьшается ползучесть металла при высоких нагрузках и температурах.

Упрочнение производят следующим образом.

Деталь укладывают в металлический ящик и заливают легко­ плавким висмутовым сплавом. Ящик устанавливают в камеру гнд-

трансформацию, мгновенно уменьшаясь в объеме почти на 0,1. Так как при высоком давлении висмут ведет себя как жидкость, то его усадка — это сильный гидравлический удар, сопровождающийся резким скачком давления до 125000 кгс/см2.

Деталь под действием такого давления равномерно обжимает­ ся, упрочняясь и почти не меняя своих размеров.

Интересно отметить, что перестройка кристаллической решет­ ки висмута при трансформации — эффект обратимый. Стоит дав­ ление снять, как атомы снова занимают свое прежнее положение.

Вместо висмута можно для этой цели использовать церий, ко­ торый трансформируется уже при 7600 кгс/см2.

Достоинством этого способа является то, что им можно упроч­ нять детали из хрупких материалов (чугуна, бронзы) и детали сложной конфигурации с различными выступами, отростками и т. д. Кроме того, под большим давлением деталь можно выдер­ живать очень долго (сутками, если необходимо), в то время как при других методах упрочнения деталь под воздействием повы­ шенных усилий может находиться в течение лишь нескольких се­ кунд.

192

Термомеханическое упрочнение. Термомеханическая обработка является новым методом упрочнения, позволяющим повысить ме­ ханические свойства стали по сравнению с полученными при обыч­ ной закалке с отпуском. Термомеханическая обработка заключа­ ется в сочетании пластической -деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой и последующим низкотемпературным от­ пуском.

Различают два основных способа термомеханической обработ­

ки (ТМО): высокотемпературная (ВТМО) и низкотемператур­ ная (НТМО).

Время, ми»

В рем я , м и »

температур рекристаллизации

При ВТМО (рис. 78, а) сталь пластически деформируют (нака­ тывают роликом) при высокой температуре (выше точки Лс, ), при которой она имеет устойчивую аустенитную структуру. Сте­ пень деформации 20—30%.

При НТМО (рис. 78, б) сталь пластически деформируют в тем­ пературной зоне существованияпереохлажденного аустенита (ни­ же интервала температур рекристаллизации, но выше точки Л1Н). Степень деформации 75—90%.

Термомеханическая обработка позволяет в некоторых сталях получить высокую прочность при хорошей пластичности и вязко­ сти (ов=220-;-300 кгс/мм2 при 8=6-г8% и ан= 5 ч -6 кгс-м/см2).

Наибольшее упрочнение достигают при деформации переох­ лажденного аустенита, т. е. при НТМО. Деформация в области высоких температур (ВТМО) не приводит к столь высокому повы­ шению предела прочности, однако обеспечивает большой запас пластичности и поэтому лучшую конструкционную прочность. Кро­ ме того, так как здесь деформация протекает при меньших уси­ лиях, то ВТМО является более технологичной операцией.

Повышение прочности при ТМО происходит вследствие измель­ чания блочной структуры и, следовательно, увеличения плотности дислокаций. Размеры блоков (по сравнению с обычной закалкой) уменьшаются в 2—4 раза. Одновременно измельчаются и пласти­ ны (иглы) мартенсита, образующиеся в деформированной зоне аустенита. Их линейные размеры меньше обычных в 2—3 раза.

Повышение пластичности, вероятно, связано с уменьшением на­

пряжений II рода.

Электромеханическое упрочнение. Электромеханическую обра­ ботку применяют для поверхностного упрочнения на глубину до 0,2—0,3 мм. При этом износоустойчивость повышается до И раз, усталостная прочность — в 2—6 раз.

Кроме того, электромеханическая обработка позволяет обрабо­

мер детали на величину до нескольких сотых миллиметра.

Рис. 79. Принципиальная схема установки для электромеханической обработки

Суть электромеханической обработки заключается в следую­ щем (рис. 79).

Обрабатываемую деталь 3 устанавливают на токарно-винто­ резный станок 2, и в зону контакта детали и инструмента 4, осна­ щенного твердосплавной пластиной, при вращении детали и пере­ мещении инструмента подводят электрический ток силой 350— 1300 А, напряжением 2—6 В (от понижающего трансформатора 1 из сети 220/380 В). Вместо резца можно применять сглаживаю­ щий ролик. Инструмент от станка изолируют.

В связи с тем что в месте контакта (из-за малой его площади) возникает большое сопротивление, выделяется значительная те­ пловая энергия, которая мгновенно нагревает зону контакта до высокой температуры (температуры закалки). Поверхность дета­

резца). В связи с тем что объем зоны высокотемпературного на­ грева очень мал по отношению к объему детали, имеет место вы­ сокая скорость охлаждения поверхностного слоя за счет отвода тепла внутрь детали.

В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2—0,3 мм с одновременным поверхностным наклепом, значитель­

194

но повышающим износоустойчивость и усталостную прочность детали.

Электроискровое упрочнение. Обработка основана на ударном воздействии направленного искрового электрического разряда, вы­ зывающего взрыв металла на обрабатываемой поверхности в точке приложения импульса.

Между электродом из твердого сплава (например, стеллита), закрепленном в приборе-вибраторе, и упрочняемой поверхностью под действием пульсирующего электрического тока возникает иск­ ровой разряд, в результате чего происходит перенос металла с электрода на катод (деталь) и обрабатываемая поверхность де­ тали упрочняется.

§54. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

Как показывают исследования, для существования эффекта избирательного переноса необходимо наличие следующих условий:

материал детали не должен наклепываться в процессе работы

идолжен иметь структуру, благоприятную для сдвигообразования.

Впротивном случае поверхностный слой материала будет обла­ дать повышенной прочностью и, вследствие возникновения отрица­ тельного градиента механических свойств, процесс отделения ча­ стиц может перейти к глубинному вырыванию и отделению круп­ ных частиц;

окисные пленки должны отсутствовать, так как при наличии их сцепление уже оторвавшихся частиц с поверхностью будет непроч­ ным и они будут удаляться из зоны трения. Кроме того, окисные пленки, возникающие на поверхности, будут блокировать выход дислокаций, что приведет к наклепу;

частица, отделяющаяся от одной из поверхностей, должна схва­ тываться с сопряженной поверхностью;

величина частиц, отрывающихся от поверхностей, должна быть небольшой, сами частицы должны обладать высокой пластич­ ностью. Большие частицы приводят к порче поверхностей трения и плохо прикрепляются к поверхности, так как имеют большую упругость и малоразвитую поверхность сцепления.

Первое условие позволяет выполнить адсорбционное пониже­ ние прочности поверхности металла, сочетаемое с разрыхлением поверхности при избирательном растворении металла.

Отсутствие окисных пленок при трении в восстановительных смазочных средах по отношению к окислам металла позволяет вы­ полнить второе и третье условия (схватывание отделившейся ча­ стицы с поверхностью трения).

Высокая пластичность материала поверхностного слоя и спо­ собность не наклепываться должны определять четвертое условие.

Периодическая система элементов позволяет установить, что наиболее подходящим материалом, способным при некоторых ус­

ловиях не окисляться, не наклепываться, легко восстанавливаться из окислов и, вместе с тем, прочно адсорбировать смазку, явля­ ется медь — полублагородный металл. В ряду напряжений по электродным потенциалам она стоит после водорода. Это значит, что по отношению ко всем металлам, стоящим до водорода, в слу­ чае протекания электрохимических процессов она будет играть роль катода. В то же время медь достаточно активна, чтобы взаи­ модействовать с. молекулами смазки.

Одной из наиболее активных смазок по отношению к окиси и закиси меди является глицерин, который при небольшом нагреве восстанавливает их до чистой меди.

Рассмотрим процесс трения в среде глицерина и связанный с ним процесс избирательного переноса в подвижном сопряжении, детали которого выполнены из стали и бронзы,

Процесс трения стали по бронзе можно разделить на два пе­ риода:

накопление меди на поверхностях трения стали и медного сплава;

установившийся режим безокислительного безызносного трения меди по меди.

В первый период поверхность медного сплава подвергается избирательному растворению. Способность посылать ноны в раст­ вор у различных металлов зависит от энергии кристаллической решетки, энергии сольватации (присоединение растворителя к растворяемому веществу) и работы выхода электрона. Из сплава, имеющего неоднородную, многофазную структуру, или из однород­ ного твердого раствора избирательно растворяются анодные леги­ рующие элементы Zn, Sn, Fe и др. Поверхность трения при этом обогащается медью. Глицерин, действуя как слабая кислота, про­ травливает поверхность медного сплава.

С течением времени скорость растворения фаз снижается вследствие пассивации ранее растворявшихся участков и образо­ вания рельефа на поверхности трения. Медленно растворяющаяся фаза образует как бы возвышающееся плато над уровнем быстро растворяющейся фазы. На выступающую фазу увеличивается дав­ ление, что приводит к повышению скорости ее растворения и'вы ­ равниванию рельефа. Таким образом, на поверхности медного сплава образуется тонкая медная пленка. Ушедшие при раство­ рении в раствор (глицерин) ионы меди осаждаются на поверхно­ сти трения стальной детали, покрывая ее тонкой медной пленкой.

После небольшого начального растворения и образования на поверхности трения очень тонких медных пленок (доли микрона) дальнейшее растворение прекращается, и наступает второй период безокислительного безызносного трения меди по меди при уста­ новившемся режиме избирательного переноса.

Образовавшиеся медные слои как на стали, так и на бронзе все время поддерживаются в активном состоянии, способном к схватыванию при разрушении (десорбции) сольватного слоя гли­ церина. В том случае, если по какой-либо причине на активном

196

слое образовалась окисная пленка, в дальнейшем она восстанав­ ливается до меди, а окисляется глицерин.

Образовавшийся на поверхности трения медный слой не из­ меняет первоначальной шероховатости (класса чистоты) поверх­ ности.

Мягкий медный слой воспринимает все нагрузки и деформа­ ции, происходящие в узле трения, способствуя их равномерному распределению по поверхностям сопряжения и обеспечивая рав­ номерное распределение давления.

Применение эффекта избирательного переноса возможно и в полимерных покрытиях.

Таким образом, при избирательном переносе можно создать безызносные пары трения, применение которых позволит значи­ тельно увеличить долговечность и надежность механизмов.

Эффект избирательного переноса в узлах трения для повыше­ ния их долговечности возможно обеспечить при использовании:

трущихся пар, которые обеспечивают избирательный перенос металла при трении;

в одной из деталей трущейся пары вставки из сплава на мед­ ной основе, которая создает на поверхности сопряженной детали активный слой, улучшающий антифрикционные свойства пары тре­ ния;

трущихся пар с предварительно нанесенным на поверхность одной из деталей активным слоем, улучшающим прирабатываемость деталей и предотвращающим задир поверхностей трения (латунирование, бронзирование, меднение);

смазок, содержащих тонкодисперсные металлические порошки, которые образуют на трущихся поверхностях активный слой, уменьшающий износ.

Лучшей парой трения, обеспечивающей избирательный перенос металла, является пара бронза — сталь. Существование эффекта избирательного переноса в этой паре при соответствующей смазке с восстановительными свойствами зависит от способности образую­ щегося слоя меди пассивировать поверхность медного сплава, удерживаясь на этой поверхности. Если силы адгезии малы и слой плохо удерживается, то растворение продолжается и эффект отсут­ ствует. Например, на бронзе Бр.АЖМц10-3-1,5 (состоящей из твер­ дых растворов) слой удерживается плохо и износ относительно высок.

Наилучший эффект избирательного переноса дают медные сплавы с высоким содержанием меди (до 90% и выше), например Бр.ОФЮ-1 и др. Однако для придания поверхностям стальных де­ талей противозадирных свойств успешно применяют и латунирова­ ние поверхностей.

. Использование явления избирательного переноса для уменьше­ ния износа деталей возможно не только для пары бронза — сталь, но и для пары сталь — сталь. Если одна из трущихся стальных деталей будет иметь бронзовую вставку, создающую при трении на сопряженной поверхности активный слой меди, то в дальнейшей

197

работе этот слой будет играть роль твердой смазки и предохранит

поверхности от износа.

Явление переноса металла при трении лежит в основе новых технологических процессов обработки поверхностей трущихся де­ талей: фрикционного латунирования, бронзирования и меднения. Суть их состоит в том, что стальные (или чугунные) детали перед сборкой покрывают тонким слоем латуни, меди или бронзы при трении скольжения прутка из медного сплава о стальную поверх­ ность детали. В процессе работы тонкие слои антифрикционных металлов улучшают приработку деталей и повышают их противо­

задирные свойства.

Фрикционное латунирование поверхностей вращающихся дета­ лей (болтов, осей, штоков, поршней, цилиндров и др.) можно про­ изводить на обычном токарном станке простейшим приспособ­ лением, состоящим из пружинной оправки с прутком из медного

сплава.

Масляные или окисные пленки на поверхности детали мешают схватыванию металлов при трении. Поэтому перед латунировани­ ем (как и перед бронзированием или меднением) необходимо по­ верхность обезжирить (промывкой бензином Б-70) и удалить с нее окисную пленку (шлифованием).

При латунировании с использованием латуней Л62 или ЛС59

щиной 2—3 мк.

Поскольку при фрикционном меднении и бронзировании тол­ щина покрытия приблизительно в 2 раза меньше, чем при латуни­ ровании, то и износостойкость медного и бронзового покрытий меньше латунного. Поэтому для получения противозадирных по­ крытий в большинстве случаев целесообразно использовать лату­ нирование (например, в поршни двигателей устанавливают и за­ катывают латунные кольца).

Для деталей прецизионных пар более подходит фрикционное бронзирование и меднение, которые позволяют получить зеркаль­ но блестящие покрытия, имеющие высокую сцепляемость с поверх­ ностью стальных деталей (например, бронзирование плунжеров топливных насосов двигателей).

Опыты показали, что эффект латунирования (как бронзирова­ ния и меднения) можно получить при внесении тонкодисперсных порошков из соответствующих материалов в смазку (в глицерин

или консистентную смазку ЦИАТИМ-201) в количестве 5% по весу.

Трущиеся поверхности стальных деталей при такой смазке по­ крываются тонкими пленками, состоящими из материала порошка, внесенного в смазку.-

Металлизированные смазки целесообразно применять в парах трения скольжения, в которых работает сталь по стали при низкой температуре и высоких нагрузках (например, в шарнирно-болто­ вых и резьбовых соединениях).

198

§ 55. ПРИМЕНЕНИЕ МАСЕЛ С ПРИСАДКАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ

На износостойкость поверхностей деталей узлов трения сильно влияют смазывающие жидкости. Поверхностные масляные пленки защищают трущиеся поверхности от непосредственного контакта, предохраняют их от коррозионных разрушений. При определен­ ных условиях масляные пленки могут разрушаться. Сопротивляе­ мость их разрушению зависит от природы металлической поверх­ ности, нагрузки, скорости, температуры трения, состояния поверх­ ностей и других факторов.

Для обеспечения нормальной работы узла трения необходимо в зону трения подавать достаточное количество смазки, создавать наибольшую несущую способность масляного слоя и не допускать значительного нагрева поверхностей трения. Во многом долговеч­ ность узлов трения при прочих равных условиях зависит от каче­ ства смазки.

Качество минеральных масел можно повысить добавлением специальных химических присадок, которые повышают свойства масел в определенном направлении. Одни присадки улучшают противоизносные и противозадирные свойства масел (сульфиды и ди­ сульфиды), другие наряду со снижением коррозионности масел уменьшают нагарообразование и износ деталей (присадки АзНИИ и др.), третьи противодействуют старению масла и способствуют образованию на поверхностях трения твердых пленок, могущих служить смазкой (дисульфид молибдена, коллоидный графит, коллоидные металлы и др.).

При эксплуатации судовых механизмов широко используют в качестве присадок к смазочным маслам дисульфидомолибденовые препараты (ДМП).

Дисульфид молибдена (M0S2) — твердое, химически малоак­ тивное вещество, обладающее смазочными свойствами. Он имеет кристаллическую структуру, напоминающую структуру графита, в

коэффициент трения дисульфида молибдена. Причем, с ростом дав­ ления коэффициент трения уменьшается.

Дисульфид молибдена способен образовывать пленки, прочно связанные с поверхностью металлов. Эти пленки выдерживают нагрузку до 100 кгс/мм2, а в статических условиях—до 300 кгс/мм2, сохраняют см'азочные свойства в широком интервале температур

(от -180 до +400°С).

Отечественная промышленность выпускает несколько дисуль­ фидомолибденовых препаратов (мелко- и крупнозернистые порош­ ки и смазки ВНИИНП).

В других странах изготовлением ДМП занимаются многие фир­ мы, выпускающие их под различными названиями, например: моликот (СШ4, Франция, Англия), молиглисс (Швейцария), молислип (Англия) и др.

199