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

стыо 600—700 ед., имеющих красивый декоративный вид, а при использовании щавелевокислых электролитов — высокие изно­ состойкость и диэлектрические свойства. Пленки могут быть блестящими, матовыми, окрашенными. По внешнему виду они напоминают фарфор, пластмассу, мрамор, эмаль. Эматалевый слой стоек в органических растворителях, минеральных и животных маслах, органических кислотах; не трескается при ударных и сжимающих нагрузках; выдерживает нагрев до температуры 300° С. Эти качества пленки используются для защиты от коррозии и отделки медицинских аппаратов, прибо­ ров, мебели, а также для повышения износостойкости деталей машин из алюминиевых сплавов, в которых содержание леги­ рующих добавок не должно превышать 2% Си, 1% Fe, 1% Ni, 8% Zn, 8% Mg, 1% Mn.

Для уплотнения эматалевой пленки детали после обработки кипятят в дистиллированной воде.

В результате фосфатирования на поверхности деталей из углеродистых и низкоуглеродистых сталей, чугуна и некоторых цветных металлов (алюминия, магния, цинка, кадмия) обра­ зуются пленки нерастворимых солей марганца и цинка толщи­ ной 2—15 мкм. При этом размеры детали увеличиваются на значительно меньшую величину, чем толщина фосфатной плен­ ки, так как обрабатываемый металл частично растворяется. Фосфатный слой устойчив на воздухе, в керосине, толуоле, смазочных маслах и легко разрушается в щелочах и кислотах. Фосфатные пленки прочно удерживают масла, лаки, краски и обладают хорошей адгезионной способностью. Они имеют не­ высокую механическую прочность и плохо сопротивляются истиранию. Фосфатные пленки жаростойки при температуре 500—600° С. Расплавленный металл не смачивает пленок.

Упрочнение нанесением на рабочие поверхности деталей химическим способом материалов с высокими эксплуатационными свойствами

В промышленности применяются различные химические способы нанесения никелевых, хромовых, кобальтовых, никелькобальтовых и других покрытий. Процесс химического нанесе­ ния покрытий состоит из следующих операций: подготовки заготовок к покрытию, нанесения покрытия на рабочие поверх­ ности деталей, термической обработки и механической обработ­ ки. Готовят заготовки к химическому покрытию так же, как и к гальваническому.

После термической обработки покрытий при температуре 350—450° С прочность их сцепления с основным металлом де­ тали, твердость и износостойкость возрастают в 1,5 раза и более. Прочность сцепления, покрытия с основным металлом высокая;

например со сталью 10 — выше 30 кгс/мм2. Прочность сцепления слоя, наносимого химическим путем, с углеродистыми сталями выше, чем с легированными или быстрорежущими.

Скорость осаждения металла зависит от температуры ванны. Так, с повышением температуры никелевой ванны от 50 до 90° С скорость осаждения никеля возрастает примерно в 7 раз.

Для химического способа нанесения покрытий используется несложное оборудование. Установка для химического никели­ рования состоит из бака с раствором, ванны, теплообменников, баков с хлористым никелем, гипофосфатом и едким натром, насосов, регулятора, соленоидного клапана, фильтра и электро­ да. Никель осаждается при температуре 80—90° С.

Химическое хромирование возможно только по слою никеля толщиной более 1 мкм. Для нормальной работы в ванну через каждый час добавляют до 3 г/л гипофосфита и до 3 г/л уксусной кислоты и едкого натра. Катализаторами служат пластинки из железа, алюминия или других металлов, которые контактируют с обрабатываемыми заготовками. С целью придания слою хрома более высокой твердости заготовки нагревают до температуры 600—800° С, а затем механически обрабатывают (обычно полируют).

Предел выносливости деталей, покрытых никелем и прошед­

ратуры, силуминовых корпусов гидравлических насосов, золот­ ников и поршней гидравлических агрегатов из дуралюмина Д1. Химическое никелирование рекомендуется использовать для защиты изделий, работающих в условиях среднего и повышен­

Химический способ применяют при покрытии никелем керамики, пластмассы и других диэлектриков для создания металлической проводящей поверхности, а также для деталей из алюминия и его сплавов, титана и керамики, чтобы получить возможность паять их мягкими припоями.

На ряде предприятий химическое никелирование позволило заменить дорогие высоколегированные стали (типа Х17Н2), работающие при температуре до 600° С, менее легированными.

Термически обработанные никелевые покрытия вследствие их большой твердости, хорошей прирабатываемости, высокой износостойкости, возможности нанесения на различные детали сложного профиля должны найти широкое применение в маши­ ностроении для повышения надежности машин.

Химическое хромирование применяется для упрочнения деталей машин и инструмента. Таким путем целесообразно упрочнять режущие инструменты, предназначенные для работы с малыми стружками и повышенными скоростями резания, а

также измерительные инструменты сложного профиля. Послед­

химическим способом и затем нитроцементованные, не уступают по своему качеству алмазным расточным резцам.

Химическое упрочнение особенно экономично для деталей сложных форм, так как стоимость этого способа не зависит от формы деталей.

Упрочнение нанесением эмалевых покрытий на рабочие поверхности деталей

В зависимости от состава эмалей и способа покрытия эмале­ вому слою могут быть приданы высокая кислотощелочностойкость, жаростойкость и др.

Эмалирование в основном применяется для стальных и чугунных изделий бытового назначения, в химической и пище­ вой промышленности, для электроосветительной аппаратуры

ит. п.

Винституте комплексной механизации шахт Донбасса исследования износостойкости эмалевых покрытий показали целесообразность эмалирования различных деталей машин для повышения их долговечности и надежности работы.

Из деталей проходческих насосов наибольшему изнашива­ нию подвержены рабочие колеса. Срок их службы при работе насосов не превышает 500—600 ч. Колеса же, эмалированные сухим способом пудровой эмалью № 51—52 по грунтовой эмали № 1—2 слоем 1,5 мм, служат в 3 раза дольше. Лопасти двухсту­

пенчатого высоконапорного осевого вентилятора, изготовленные из листовой стали 30, после покрытия эмалью № 401 по грунто­ вой эмали № 27 (слой толщиной 0,7—1,5 мм) служат на 3000 ч дольше, чем до покрытия.

Внастоящее время ведутся работы для повышения качества

инадежности эмалевых покрытий, механизации и автоматиза­ ции процессов эмалирования. Например, в лаборатории научноисследовательского института санитарной техники Академии строительства и архитектуры СССР изучали возможность при­ менения электрического поля коронного разряда для распыле­ ния и осаждения стекловидных эмалей. Для эмалирования чугунных деталей эмалевыми пудрами применяли распылитель,

потенциалов между воронкой и заземленной эмалируемой поверхностью. Таким образом, заряженные частицы, двигаясь к заготовке, создают слой коронирующих точек, увеличивая тем самым напряженность электрического поля у поверхности заго­ товки. Ионы, испускаемые коронирующими точками, сообщают дополнительный заряд частицам, осевшим на заготовку, что способствует увеличению силы адгезии и созданию плотного слоя покрытия.

Стальные детали эмалируют грунтами и покровными эмаля­

менять состав из 56—58 г грунта плотностью 1,65—1,68 г/см3 и 58—60 г покровной эмали плотностью 1,63—1,67 г/см3.

Электроэмалирование и электроглазурование рекомендуется применять в машиностроении для нанесения силикатных (эмали А-19, А-20, А-31) жаростойких покрытий на детали, ра­ ботающие при высоких температурах.

Покрытие эмалью крупногабаритных деталей ограничивает­ ся размерами печей для обжига. Печи для эмалирования цистерны объемом 20—100 м3 представляют собой сложные сооружения, кроме того, управлять обжигом и равномерно про­ гревать все части сложных деталей в таких печах довольно трудно. Поэтому в подобных случаях покрытие эмалью произ­ водят в электромагнитном поле на станках-автоматах. Нанесен­

сразу, как при обжиге в печах. К тому же этот способ эмалиро­ вания экономичнее, так как к. п. д. индукционных установок выше, чем печных, а время процесса значительно меньше.

Вести эмалирование в электромагнитном поле можно при неподвижном или подвижном индукторе. В первом случае рабочее движение сообщается заготовке, а во втором заготовка неподвижна, а движется вдоль нее индуктор.

Эмалевые покрытия, изготовляемые в основном из дешевых материалов, составляют не более 6% веса защищаемых деталей и придают им коррозионную стойкость в агрессивных средах (кислота), а также высокую теплостойкость при температуре 450—760° С. Специальные жаростойкие керамические покрытия, состоящие из эмалевых стекол и огнеупорных окислов, выдер­ живают эксплуатацию в течение 1000 ч при температуре до 1100° С. Морозостойкость стальных эмалированных деталей достигает —70° С, а чугунных —30° С. Такие покрытия на де­

талях из углеродистой стали выдерживают повторяющуюся сме­ ну температур от 540 до —50° С, а на деталях из нержавеющей стали от 980 до —50° С.

Упрочнение покрытием рабочих поверхностей деталей пластмассами и специальными материалами

Пластмассовые покрытия применяют для защиты от корро­ зии химической аппаратуры и других изделий, выравнивания неровностей их поверхности и повышения износостойкости узлов трения. При химической стойкости к действию самых агрессив­ ных сред, таких как концентрированные кислоты и окислители, многие пластмассы превосходят даже золото и платину.

Пленки пластмассы чаще наносят на поверхности деталей машин вихревым или газопламенным напылением или облицов­ кой листовыми материалами. Для покрытия деталей газопла­ менными и вихревыми методами пригодны только термопластич­ ные материалы в виде мелкодисперсного порошка, который при

нагревом заготовок до указанной выше температуры.

Защитные покрытия обычно делают многослойными. Тол­ щина покрытия зависит от назначения детали и напыляемого материала. При использовании полиэтилена хорошую защиту от коррозии дает покрытие толщиной 0,25—0,35 мм, при исполь­ зовании фторопласта-3 — покрытие толщиной 0,18—0,25 мм.

Для нанесения стеклопластиков разработана установка, позволяющая наносить покрытия на ванны, корпусы, бачки с целью их защиты от коррозии и повышения долговечности при работе в агрессивных средах.

Методом вихревого напыления можно наносить и многослой­ ные покрытия. Для этого рядом с нагревательным шкафом располагают две установки для напыления, содержащие соот­ ветствующие порошки, и напыляют слой сначала одного, а за­ тем другого порошка. Оплавление и охлаждение производят обычным способом. Вихревым и эжекционным напылением можно покрывать различные металлы и их сплавы (сталь, чугун,

алюминий), керамические и другие детали, выдерживающие на­ грев до температур 300—500° С (табл. 17;.

Нанесение пластмассовых покрытий позволяет применять углеродистую сталь вместо дефицитных легированных и цвет­ ных металлов.

Кроме описанных способов нанесения пластмассовых покры­ тий применяются и другие. Например, на одном из заводов чугунные ролики диаметром 250 мм, шириной 100 мм покрывают слоем капрона толщиной 5 мм центробежным способом.

За последнее время разработаны новые покрытия и материа­

заменять цветные металлы (табл. 18). Для повышения износо­ стойкости и твердости покрытий к полиамидным порошкам добавляют 5% Mo2S, 5—10% графита, 10—20% BaS04.

Защитные покрытия деталей машин используются для повы­ шения износостойкости в различных условиях изнашивания. Основными методами уменьшения износа схватыванием при малых скоростях скольжения трущихся поверхностей, больших давлениях (превышающих предел текучести на участках факти-

Коэффициенты трения полиамидов

создание защитных пленок путем травления растворами кислот и щелочей, фосфатизации, сульфидирования, а также создания вторичных структур вследствие диффузии кислорода или угле­ рода в поверхностные объемы металла в процессе их пластиче­ ской деформации; повышение твердости (уменьшение пластич­ ности) трущихся поверхностей механическим наклепом, поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, нане­

поверхностей, повышенных давлениях, что обусловливает интен­ сивный рост температуры в поверхностных слоях пары трения, для повышения износостойкости рекомендуется: увеличивать теплоустойчивость металлов пар трения путем легирования их редкими металлами в сочетании со специальной термической обработкой; снижать работу трения (уменьшать коэффициент трения) путем применения специальных смазок и различных присадок к ним графита, металлозоли, химически и физически активных веществ и т. п. (рис. 111); уменьшать температуры трущихся поверхностных слоев.

Приведенные выше данные о способах упрочняющей обра­ ботки деталей машин показывают, что в зависимости от приме­ няемого способа упрочнения можно изготовлять детали машин с требуемыми физико-механическими и химическими свойствами их рабочих поверхностей. Кроме того, можно изменять твер­ дость, предел прочности, химический состав, величину и харак­ тер распределения остаточных напряжений в рабочем поверх­ ностном слое деталей. Внедрение процессов упрочняющей обработки в практику машиностроения позволяет в широких пределах изменять предел выносливости, износостойкость, кор­ розионную стойкость, жаростойкость и другие эксплуатационные свойства деталей машин.

Повысить предел выносливости деталей машин на 40—60%, а долговечность в 1—7 раз можно путем увеличения твердости и прочности рабочих поверхностей деталей и созданием в них остаточных напряжений сжатия за счет упрочнения цемента­ цией, нитроцементацией и азотированием.

Коррозионно-усталостная прочность деталей в 2—3 раза (долговечность в 2—10 раз) повышается при нанесении на

Рис. 111. Коэффициенты трения / при испытании:

а — в керосине с увеличивающейся скоростью при нагрузке 5 кгс/см2; б — с увеличи­ вающейся нагрузкой при скорости 6,2 м/с; 1 — сталь ЗОХГСА; 2 — хром; 3 — латунь Л62; 4 — кадмий; 5 — ВАП

рабочие поверхности деталей, предварительно упрочненных наклепом,антикоррозионных покрытий.

шелушению) повышается в 3—10 раз при применении способов обработки рабочих поверхностей, создающих равномерную структуру и напряженность в них, а также при применении смазок со специальными присадками.

Повышение твердости рабочих поверхностей и увеличение содержания карбидообразующих элементов в составе стали уве­ личивает в 2—10 раз долговечность деталей при абразивном и

снижается в 10—12 раз при повышении твердости трущихся пар

гающегося окислению, уменьшение шероховатости рабочих поверхностей, устранение неравномерности остаточных напря­

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ВЫБОРЕ СПОСОБОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И СБОРКИ МАШИН

Влияние способов формообразования заготовок на эксплуатационные свойства деталей

Основными способами получения заготовок для деталей машин являются литье, ковка, штамповка, прокат и сварка. Сварка как самостоятельный способ формообразования загото­ вок может рассматриваться лишь условно, так как она приме­ няется в основном для неразъемного соединения отдельных частей заготовки, ранее полученных другими методами. За по­ следние годы созданы новые способы сварки, позволяющие отказаться в ряде случаев от получения заготовок методом ковки и литья. В частности, электрошлаковая сварка коренным образом изменила технологию изготовления ряда изделий и дала возможность сваривать металлы любой толщины. Внедре­ на сварка в среде защитных газов, намного расширившая сферу ее применения, особенно при соединении тонких деталей из легированных сталей и цветных металлов. Сварка изделий позволяет значительно упростить технологию изготовления мно­ гих конструкций, изготовлять детали по частям взамен литья или ковки детали, заменить цельнолитые или кованые детали из дорогой высоколегированной стали комбинированными, в кото­ рых только отдельные элементы, находящиеся в наиболее тяжелых эксплуатационных условиях, изготовляются из леги­ рованной стали.

В условиях многообразия способов и наличия возможности их комбинировать необходимо знать технологические и эксплуатационные возможности и границы применимости каждого способа соответственно масштабам производства, тре­ буемой точности изготовления и особенности конструктивных форм и размеров заготовок.

Выбор способов получения заготовки определяется техноло­ гическими свойствами металла, т. е. его литейными свойствами или способностью претерпевать пластические деформации при обработке давлением, а также структурными изменениями ма­ териала, получаемыми в результате применения того или друго­ го метода выполнения заготовки (расположение волокон в по­ ковках, величина зерна в отливках и т. д.), конструктивными формами и размерами заготовки, требуемой точностью выпол­ нения заготовки и качеством поверхности, эксплуатационными

требованиями, величиной программного задания, производст­ венными возможностями заготовительных цехов и временем, за­ трачиваемым на подготовку производства.

Надежность заготовок характеризуется прежде всего веро­ ятностью развития в них дефектов, могущих вызвать поломку и в связи с этим остановку механизма или машины.

Заготовка, как правило, имеет то или иное количество эле­ ментов. Каждый из этих элементов выполняет самостоятельную функцию. Наиболее эффективным путем повышения надежнос­ ти заготовок является повышение надежности их элементов. Так, например, надежность литой детали может быть повышена созданием более рациональной конструкции ее элементов, при­ менением новых, более совершенных материалов, обладающих повышенными литейными (технологическими) свойствами, ко­ ренным улучшением технологии производства, налаживанием контроля и др. Надежность работы деталей машин определяет­ ся расчетом их на прочность, предел выносливости, изгиб, срез и т. д. Наиболее трудной задачей при расчете прочности являет­ ся определение запаса прочности заготовки. Запас прочности п;,

цессе проектирования машины и при расчете ее деталей и сбо­ рочных единиц. Коэффициент п2 называют технологическим ко­ эффициентом запаса прочности, включающим в себя также сте­ пень однородности механических свойств заготовки, которые в основном определяются технологическими условиями их изготов­ ления.

В качестве примера ниже приводится краткая методика оп­ ределения технологического коэффициента запаса прочности [21]. Технологический коэффициент запаса прочности определя­ ется из соотношения большого количества усредненных экспери­ ментальных данных прочности свойств образцов с литой короч­ кой из вертикальных стенок и образцов с узлом сопряжения, вырезанных из горизонтальных стенок отливок.

Принимая предел прочности, требуемый ГОСТом, за 100% и располагая данными исследований, определяем технологиче­ ский коэффициент запаса прочности п2 из следующей зависи­ мости :