книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

ходит срок службы цементованных и закаленных деталей. После прекращения подачи смазки продолжительность работы до момента заедания у металлизованных слоев толщиной 5 мм в 10—14 раз больше продолжительности работы закаленных поверхностей многих автотракторных и других деталей. Метал­ лизацию напылением можно рекомендовать для нанесения

в промышленности начинают применять плазменное напыление материалов со специальными свойствами на металлы, керамику, пластмассы, стекло, дерево и т. п. По технологическим возможностям этот способ превосходит применяемые способы нанесения покрытий. При этом способе расплавление и распыле­ ние тугоплавких материалов осуществляется с помощью высокотемпературной плазменной струи. При плазменном напы­ лении в качестве материала покрытий используются окиси алю­ миния, вольфрам, молибден, ниобий, интерметаллоиды, силициды, всевозможные карбиды, бориды и др. В соответствии со свойствами наносимых покрытий может быть обеспечена требуемая жаропрочность, сопротивление олислению, износо­ устойчивость при высоких температурах и в различных средах.

Плазменное напыление покрытий имеет ряд преимуществ по сравнению с защитными покрытиями других видов: сверхвысо­ кие температуры плазменного напыления позволяют расплав­ лять и наносить различные материалы с высокой температурой их плавления; поток плазмообразующего газа, не содержащего кислорода, позволяет напылять материалы без их разложения, не допуская окисления поверхности обрабатываемого изделия; поток плазмы дает возможность получать сплавы различных материалов, в том числе тугоплавких, теплостойких, и наносить многослойные покрытия; высокая скорость потока газа позволя­ ет увеличить плотность покрытия до 98% и достичь прочного сцепления с основным металлом заготовки; покрываемая поверхность заготовки нагревается до температуры не выше 200° С, что исключает коробление деталей и позволяет наносить материал на дерево, пластмассы и т. п.; энергетические харак­ теристики потока плазмы легко регулировать в зависимости от требований технологии, что неосуществимо при газопламенном методе напыления.

Наиболее часто плазменное напыление используется для нанесения тугоплавких соединений. В этом и других случаях материал покрытия должен обеспечивать защиту от разрушения

иокисления основного материала заготовки, хорошую прочность

исцепление с основным материалом, минимальную диффузию атомов основного материала и покрытия, ограниченную лету­ честь основного материала и стойкость при циклической терми­ ческой нагрузке.

Для получения покрытий с заданными свойствами необхо­ димо проводить дальнейшие исследования для определения оптимальных режимов процесса, совершенствования оборудова­ ния, выбора оптимальной дисперсности частиц материалов для напыления и изыскания способов получения беспористых покры­ тий без дополнительной их обработки.

Упрочнение нанесением на рабочие поверхности деталей

электролитическим способом материалов с высокими эксплуатационными свойствами

Для упрочнения деталей машин наиболее часто применяется хромирование, осталивание, покрытие твердым никелем, борирование и наращивание тонких слоев сплавов. Электролитичес­ кие покрытия оказывают существенное влияние на предел вынос­ ливости, износостойкость и коррозионную стойкость и другие эксплуатационные свойства деталей, машин и конструкций.

Хромирование. Хромирование может быть декоративное, ан­ тикоррозионное и износостойкое. Если хромирование применяют для защиты от коррозии, то стальные заготовки подвергают многослойному покрытию, например, слоем меди толщиной 0,03—0,04 мм, слоем никеля толщиной 0,015—0,20 мм и слоем хрома толщиной 0,001—0,0015 мм. Подслои также необходимы, если детали работают на износ в коррозионных средах.

При износостойком хромировании слой толщиной до 0,1— 1,0 мм наносят непосредственно на стальную поверхность. Для восстановления номинальных размеров машин в процессе ре­ монта и упрочнения при изготовлении новых деталей применяют главным образом износостойкое хромирование. Хромовые покрытия снижают коэффициент трения сопряженных пар, что

испытании на сдвиг достигает 30 кгс/мм2. Однако следует иметь в виду, что стали с высоким содержанием вольфрама и кобаль­ та, а также высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны нельзя покрывать хромом. Также трудно получить хорошее сцепление хрома с поверхностью деталей, испытываю­ щих значительные внутренние напряжения, например, в резуль­ тате неправильно проведенной закалки.

Прочность электролитического хрома резко снижается при увеличении толщины слоя покрытия. Увеличение толщины слоя от 0,1 до 0,5 мм снижает предел прочности в 2—3 раза. Меха­ нические свойства электролитического хрома ограничивают применение его для больших удельных нагрузок, как правило,

они не должны превышать 25 кгс/мм2. Предел выносливости стали после хромирования снижается на 15—20% и в степени тем большей, чем больше толщина слоя хрома. Для восстанов­ ления и в некоторых случаях для повышения предела выносли­ вости поверхности деталей перед покрытием подвергают наклепу дробью или обкатке роликом.

При назначении хромирования в качестве способа упрочне­ ния необходимо учитывать нецелесообразность увеличения тол­ щины хрома свыше 0,5 мм, так как допустимая величина износа деталей, предназначенных к упрочнению хромированием, нахо­ дится в пределах 0,05—0,50 мм и в редких случаях до 1,0 мм.

Гальваническое хромирование начали применять для упроч­ нения таких деталей, как зубчатые колеса. В ЦНИИТМАШе для замены цветных металлов было осуществлено хромирова­ ние червячных цилиндрических валов из стали 45.

Наибольшая эффективность упрочнения достигается при «пористом» хроме, особенно с крупной сеткой каналов. Это объясняется тем, что поры и каналы улучшают смазываемость рабочей поверхности червяка, вследствие чего повышается кон­ тактная выносливость пары.

Большой интерес представляет хромирование деталей, работающих в условиях кавитационного разрушения. Сопротив­ ляемость электролитических осадков хрома кавитационному разрушению зависит от их твердости и типа. Твердость осадков, измеренная прибором ПМТ-3 при нагрузке на индикатор 50 Г, практически постоянна для слоя хрома толщиной свыше 20 мкм, а при нагрузке 100 Г — для слоя толщиной свыше 45 мкм, что объясняется влиянием сравнительно низкой твердости хроми­ руемого металла. В области блестящих покрытий при темпера­ туре электролита 45—55° С твердость осадков изменяется незначительно. С увеличением блеска твердость повышается. Твердость молочных покрытий, получаемых при температуре выше 55° С, понижается вследствие изменения структурной мо­ дификации хрома и укрупнения зерна.

электролита 45—47° С, плотность тока 30 А/дм2, средняя твер­

трубки и погружали в сосуд с водой на глубину 3 мм. Темпе­ ратура воды была 25° С. Испытание продолжали в течение 3 ч (образцы взвешивали каждый час для определения потерь в весе). Установлено, что молочные хромовые осадки обладают лучшей сопротивляемостью кавитации, чем блестящие. У бле-

■стящих, более твердых и хрупких осадков, очаги разрушения крупнее, у молочных — мельче. Это объясняется меньшей по­ ристостью и более низкими внутренними напряжениями молоч­ ного хрома. При небольших толщинах хрома (порядка 20 мкм) потери в весе за второй и третий часы резко увеличиваются вследствие изнашивания основного металла, особенно в случае блестящих осадков. Молочный хром притирается лучше, чем блестящий, что важно при изготовлении таких деталей, как клапаны гидропрессов.

Стойкость молочного хромового осадка кавитационному разрушению не зависит от стойкости основного материала детали. Кавитационное разрушение молочного хрома в 13 раз меньше, чем стали 45. В этом отношении он не уступает высоко­ хромистым сталям 2X13, Х9С2, а также сталям У8, ХВГ, обра­ ботанным на высокую твердость.

работающих в условиях кавитационного разрушения, например, стенки элементов уплотнений, работающих с вибрацией в сопри­ косновении с жидкостью, зубья колес, подверженных кавита­ ционному разрушению, клапанные детали гидравлических прес­ сов и др. Толщину слоя хрома следует назначить исходя из условий работы детали: чем жестче кавитационные условия и чем дольше надо защищать деталь от разрушения, тем больший

. слой хрома требуется. Слои тоньше 50 мкм наносить не рекомен­ дуется. Для клапанных деталей гидропрессов слой должен быть толщиной 150—250 мкм.

Для повышения износостойкости деталей применяют также плотные покрытия, наносимые по накатке. Срок службы их в 1,5—2 раза больше, чем пористых покрытий, а расход хрома на 30—50% меньше расхода при канальчатом хромировании.

Долгое время применение гальванического хромирования, особенно в массовом производстве, ограничивалось вследствие низкой скорости наращивания хрома в стационарных ваннах и отсутствия автоматизированного оборудования. В настоящее время освоено более производительное хромирование на токе переменной полярности, в саморегулирующихся электролитах, струйное и проточное хромирование. Проводятся работы по комплексной автоматизации и механизации процессов хроми­ рования.

Влияние продолжительности испытаний на кавитационное разрушение сталей показано на рис. 108.

Осталивание. При осталивании из растворов солей железа (хлористого железа или железного купороса) на рабочие поверхности деталей машин электролитически наращивают

железные покрытия большой твердости, приближающиеся

ктвердости стали, поэтому процесс называют осталиванием.

Взависимости от состава электролита и режимов остали-

вания покрытия получаются мягкие с твердостью до НВ 200 и твердые с твердостью, соответствующей углеродистой закален­ ной стали (НВ 250—600). Прочность сцепления покрытий со сталью, медью и чугуном достигает 1500 кгс/см2, вследствие че­ го детали надежно работают при больших нагрузках. Покрытия не отслаиваются даже при пластических деформациях.

На прочность сцепления влия­ ют способ механической обработки и шероховатость исходной

поверхности. Максимальная прочность сцепления для незака­ ленных сталей, чугунов и цветных металлов может быть до­ стигнута при 7-м классе чистоты поверхности, полученной точе­ нием, а для закаленных сталей — при 8-м классе чистоты по­ верхности, полученной шлифованием.

Прочность сцепления зависит также от свойств основного металла, его химического состава и термической обработки. При увеличении содержания углерода в стали от 0,2 до 0,5% проч­ ность понижается в среднем на 36%; у закаленных и отпущен­ ных сталей она на 25—35% ниже, чем у термически необрабо­ танных.

Мягкими покрытиями можно наращивать детали с высокой поверхностной твердостью и наружные поверхности бронзовых втулок при ослаблении посадок в отверстиях; их можно использовать для повышения прочности сцепления баббита

с чугунными вкладышами, изготовления биметаллических элек­ тродов и т. д. Харьковский тракторный завод изготовлял серийные тракторы с поршневыми кольцами, покрытыми слоем электролитического железа по пористому хрому. Покрытие наносят в электролите с содержанием 40 г/л сернокислого железа (закисного) и 200 г/л хлористого натрия при темпера­ туре 85—90° С и плотности тока 2 А/дм2. Толщина осажденного

хорошо прирабатываются, а долговечность колец и гильз повышается.

Твердые покрытия применяют при ремонте для наращивания изношенных поверхностей трения стальных и чугунных деталей (шеек, валов, гнезд подшипников, корпусов и др.) до номи­ нальных размеров. При внедрении процесса проточного осталивания (вне ванны) можно наращивать слои толщиной 0,8 —1,0 мм на внутренние поверхности деталей. Если твердость покрытия недостаточна, рекомендуется подвергать детали последующей цементации или хромированию. Себестоимость покрытия 1 см2 рабочей поверхности при осталивании в 2—3 раза меньше, чем при хромировании.

Предел выносливости деталей, упрочненных осталиванием, снижается на 10—25% в зависимости от способа подготовки поверхности перед покрытием; на 10—70% в зависимости от твердости нарощенного слоя и на 20—25% в зависимости от термической обработки после покрытия.

Изменение напряженного состояния покрываемой поверх­ ности путем закалки с нагревом т. в. ч. до покрытия, а также наклепа до покрытия и после покрытия почти полностью восстанавливает предел выносливости исходного материала заготовки детали.

При анодной обработке в ванне осталивания электролитиче­ ски осажденного железа в слое покрытия образуются поры, подобные порам электролитического хрома. Смачиваемость

трении со смазкой износостойкость электролитического железа не находится в прямой пропорциональности с твердостью при всех значениях последней. В зависимости от условий изнаши­ вания пар трения следует получать покрытия с оптимальной твердостью. Так, например, при трении электролитического железа по чугуну при давлении 75 кгс/см2 и скорости взаимного

перемещения 1,0 м/с оптимальное значение микротвердости составляет Н 400—450. При тех же условиях трения, но в паре с баббитом, величина оптимальной твердости повышается до

окислительный износ; при твердостях выше оптимальных значений — хрупкое скалывание покрытий. В сопоставляемых условиях износостойкость электролитического железа при опти­ мальном значении микротвердости приближается к износостой­ кости закаленной стали 45.

Износостойкость электролитического сплава железо—никель в 1,5—2 раза превосходит износостойкость твердого электроли­ тического железа.

Основным способом "механической обработки осталенных цилиндров поверхностей является шлифование. Чтобы не допу­ стить снижения микротвердости поверхностного слоя и получить чистоту поверхности 7—8-го классов, рекомендуется при шлифо­ вании электролитического железа с микротвердостью 500 ед. применять круги Э40СМ2К5. Глубина шлифования 0,06— 0,10 мм/дв. ход, окружная скорость круга 25—40 м/с. Смазочно­

источники постоянного тока в 3—4 раза меньшей мощности, чем при хромировании.

Электролиты твердого никелирования применяются различ­ ных составов. Приборостроительные заводы для получения высокотвердых блестящих покрытий используют электролит следующего состава: 140 г/л сернокислого никеля и 300 г/л щавелевокислого аммония, кислотность электролита составляет

в муфельных печах при температуре 300—500° С. Это на 200— 250 ед. увеличивает микротвердость Н покрытия и повышает коррозионную стойкость деталей (рис. 109).

Коррозионная стойкость фосфористоникелевых покрытий в атмосферных условиях и пресной воде выше, чем у хромовых

а с легированными 700—900 кгс/см2. Коэффициент трения стали по чугуну на 30% ниже, чем у хрома, а по бронзе несколько выше. При сухом трении износостойкость покрытия в 2,5—3 раза выше, чем у закаленной стали 45, и на 10—20% ниже, чем у хро­ ма. Покрытия из фосфористого никеля меньше снижают предел

Рис. 109. Влияние термической об­ работки на микротвердость фосфо­ ристоникелевых покрытий:

1 — содержание фосфора 5%; 2 — содержание фосфора 9%

выносливости, чем хромовые и обычные никелевые. Изнашива­ ние сопряженных деталей из различных металлов при работе по фосфористоникелевым покрытиям в 4—5 раз меньше, чем при работе по стали, и на 20—40% меньше, чем при работе по хрому.

Твердое никелирование можно применять для упрочнения и восстановления коленчатых валов, шпинделей металлорежу­ щих станков, поршневых пальцев, гильз цилиндров, поршней гидравлических машин, направляющих втулок и т. п., а также при ремонте наподвижных посадок и деталей приборов. При восстановлении шпинделей металлорежущих станков, шеек

создается элементарный бор, который в момент выделения диф­ фундирует в металл, образуя на его поверхности бориды желе­

ного терморегулятора. Установка работает на постоянном токе. К основным технологическим факторам, влияющим на физико-механические и эксплуатационные свойства слоя бора, относятся температура электролита, время выдержки и химиче­

ский состав материала обрабатываемых заготовок.

На низколегированных сталях при температуре до 950° С можно получить слой толщиной около 0,3 мм. При дальнейшем повышении температуры толщина слоя увеличивается мало, но

значительно возрастает его хрупкость. С увеличением времен» выдержки (до 6—7 ч) толщина слоя возрастает по параболи­ ческому закону. Микротвердость слоя составляет 2000—2500 ед. Наибольшую твердость имеет борированная поверхность дета­ лей из сталей 55С2А и ЗОХГСА, несколько меньшую — из сталей 12ХН2А и 12ХНЗА, еще меньшую — из сталей 40Х и 35.

При любых температурах (прочие условия одинаковые) максимальная толщина борированного слоя получается на деталях из стали ЗОХГСА, затем она последовательно умень­ шается на деталях, изготовленных соответственно из сталей 50С2А, 12ХНЗА, 12ХН2А, 35 и 40Х. Рекомендуется детали из указанных сталей борировать при температуре 950° С и выдер­ жке в течение 6 ч. При этих условиях получается слой наилуч­ шего качества и достигается высокая износостойкость борированных деталей. Из указанных выше сталей, подвергнутых, сравнительным испытаниям, после борирования наиболее изно­ состойкой оказалась сталь 12ХН2А, а затем стали 12ХНЗА и 40Х. С целью повышения предела выносливости борированной стали рекомендуется упрочнять ее обкаткой роликами [26]. Свойства слоя бора не изменяются при нагреве до температуры 950° С. Этот слой имеет повышенные кислотостойкость и жаростойкость при нагреве до температуры 300° С. Высокая твердость слоя бо­ ра увеличивает износостойкость поверхности детали. Поэтому борированием упрочняют детали машин, работающие в тяжелых

в4 раза по сравнению с втулками, закаленными т. в. ч.

Впрактике используется процесс борирования рабочих; поверхностей деталей на глубину 0,2—0,4 мм в расплаве буры при температуре 900—950° С и плотности тока 0,15 А/дм2.

Получаемый слой обладает высокой твердостью (1600— 2000 ед.). Установка для борирования состоит из тигельной печи Ц-35, источников постоянного тока для электролиза расплав­ ленной буры и катодной защиты тигля. Тигли отливают из ста­ лей Х24Н12СЛ и Х23Н13. Анодом служит графитовый электрод,, катодом — борируемая деталь. На рис. ПО показано влияние борирования на износостойкость (потеря веса в г) деталей

Оксидирование и фосфатирование. Все металлы на воздухе покрыты окисной пленкой, которая защищает их от действия окружающей среды, но толщина этих пленок мала. Для полу­ чения окисных пленок значительной толщины применяют спе­ циальную химическую, термическую или электрохимическую1

обработку поверхности металла. Наиболее широко применяются глубокое оксидирование и эматалирование.

Глубокое оксидирование — это процесс получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм с высокой микротвердостью (400—450 ед.) и хорошими электроизоляционными свойствами. Этот процесс применяется для повышения износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных машин и дру­ гих деталей из алюминия и его сплавов с содержанием не более 4,5% Си и не более 7% Si. Износостойкость перечисленных де-

Рис. ПО. Влияние борирования на

талей после оксидирования при работе со смазкой повышается в 5—10 раз.

Для глубокого оксидирования используют электролит, содержащий 180—200 г/л химически чистой или аккумуляторной

ность тока поддерживается в пределах 2,5—5 А/дм2, а темпе­ ратура электролита 5—0° С. Начальное напряжение обычно составляет 20—24 В. При обработке вторичных сплавов темпе­ ратуру электролита рекомендуется снижать до —10° С. Для оксидирования можно использовать как постоянный, так и пере­ менный ток. Лучшие результаты получаются при наложении переменного тока на постоянный.

Процесс глубокого оксидирования имеет технологические трудности, вызываемые нарушением режима охлаждения, отклонением состава электролита от нормы, недостаточной подготовкой поверхности, наличием на деталях острых углов и граней. Размеры деталей при оксидировании увеличиваются приблизительно на половину толщины оксидного слоя.

Для повышения стойкости против коррозии детали после оксидирования и тщательной промывки в воде подвергают специальной обработке для уплотнения оксидной пленки, чтобы закрыть доступ окружающей среды к металлу через поры плен­ ки. Для этого детали погружают в расплавленный парафин или воск, покрывают их олифой, лаками, наполняют поры хроматами и др.

Эматалирование заключается в электролитическом нанесе­ нии непрозрачных пленок толщиной 10—12 мкм, микротвердо-