Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

Ж. А. Мрочек, JI. М. Кожуро, И. П. Филонов

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Минск

2000

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач научно-технического прогресса является внедрение в промышленность технологических процессов, обеспечивающих повышение производительности труда и увеличение коэффициента использования материалов, уменьшение энергоемкости и себестоимости изделий.

В настоящее время для повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей, позволяющих увеличить скорость и нагрузки современных машин и технологического оборудования, широкое распространение получили методы газопламенного и плазменного напыления, электромагнитной наплавки и лазерного упрочнения. В практике имеются технические решения, объединяющие вышеуказанные процессы с традиционными методами лезвийной обработки и поверхностного пластического деформирования.

Для изучения и использования методов повышения износостойкости деталей, а также объединения различных процессов необходимо знать и понимать разнообразные явления, происходящие в поверхности обрабатываемой заготовки. Навыки управления такими процессами могут быть приобретены только в ходе детального изучения тепловых процессов, особенностей контактного взаимодействия, свойств порошков и т. п.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются вопросы кинетики формирования покрытий при электромагнитной наплавке, порошковые материалы, методики, позволяющие оценить стабильность процесса, надежность и долговечность деталей в производственных условиях. Изложены теоретические основы контактного взаимодействия поверхностей при комбинированном методе наплавки с поверхностным пластическим деформированием, показано влияние характера движения деформирующего элемента на качество обрабатываемой поверхности. Раскрыты свойства порошковых материалов и покрытий на их основе, приведены результаты исследований микроструктуры, фазового состава покрытий, особенностей структурообразования при электромагнитной наплавке с поверхностным пластическим деформированием, результаты рентгеноструктурных исследований. Особое внимание уделено оптимизации технологии на основе математического моделирования.

3

Учебное пособие позволяет изучить и освоить новейшие энергоресурсосберегающие технологии и наметить пути повышения производительности процессов обработки и улучшения качества износостойких покрытий за счет совмещения операций предварительной обработки поверхности, наплавки и окончательного формообразования.

4

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ИУПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Быстрое разрушение изделий, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах, а также в условиях абразивного, коррозионного и других видов воздействия, требует разработки и внедрения в производство новых методов их упрочнения и восстановления.

Основными причинами потери работоспособности изделий являются абразивное и другие виды изнашивания, усталостные поломки и выкрашивание материала, различного рода коррозионные и кавитационные разрушения, жидкостная и газовая эрозии и всевозможные сочетания отмеченных выше причин.

Увеличить износостойкость рабочих поверхностей изделий можно изменением химического состава материала поверхности путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания; механическим и тепловым воздействием на поверхность металла, которые приводят к структурным и субструктурным превращениям, способствующим повышению стойкости при различных процессах изнашивания; нанесением на поверхности трения деталей износостойких покрытий.

Согласно вышесказанному можно классифицировать многообразие технологических методов повышения износостойкости (рис. 1.1) с учетом того, что в их основе лежат факторы химического, термического и механического воздействий, позволяющие существенно изменить поверхностные свойства изделий.

Разнообразные условия эксплуатации машин и механизмов в сочетании с современными требованиями обусловливают необходимость разработки и совершенствования технологических методов нанесения износостойких покрытий в целях получения биметаллических изделий и для проведения восстановительных операций.

Среди многообразия методов нанесения износостойких покрытий особое место занимают наплавки, при которых за счет тепла внешнего источника подплавляются поверхность покрываемого материала и наплавляемый сплав, в результате чего происходит их взаимодействие с образованием металлургической связи. Из термодинамических условий взаимодействия для этого

5

необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, величина которого характеризуется энергией активации. Нагрев системы повышает ее энтальпию, снижает уровень энергии активации, при этом по экспоненциальному закону возрастает число активизированных атомов. Теоретически при температуре 920—1030°С по всей площади контакта «обрабатываемая поверхность — расплав наплавленного материала» может образоваться прочная металлическая связь.

Полная адгезия наплавленных покрытий складывается из сил механического зацепления, сил межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер- Ваальсовы силы) и энергии химических связей при образовании нового соединения. Практическая прочность сцепления обычно меньше теоретической из-за дефектов кристаллических решеток контактирующих поверхностей и присутствия трудноудалимых оксидов, но при качественной наплавке она всегда соизмерима с прочностью основного металла.

1.1.Современные методы восстановления и упрочнения деталей машин наплавкой

Технология наплавки обладает преимуществами получения достаточно большой толщины покрытия, высокой производительности, отсутствия ограничений по размерам наплавляемых поверхностей. При этом образуется слой

стребуемым химическим составом, высокой твердостью и износостойкостью.

Вобщем объеме работ по восстановлению деталей на ремонтных предприятиях на долю наплавок различных видов приходится порядка 77%, электроконтактного припекания — 6%, гальванических способов — 5%, электромеханической обработки — 4%, заливки жидким металлом — 2%, восстановления полимерами — 4%, других способов — 5% (табл. 1.1 и 1.2).

Внастоящее время широко используется много технологических способов для наплавки материалов на восстанавливаемую поверхность детали.

Большинство из них достаточно близки по энергетическим параметрам (рис. 1.2). Рассмотрим достоинства и недостатки наиболее перспективных из этих способов.

7

Примечание: себестоимость восстановления деталей в ценах 1990 г.

8

Рис. 1.2. Динамика роста рабочей мощности дуги от способа наплавки.

Плазменная наплавка. Сущность плазменной наплавки заключается в том, что дуга (ток переменный) горит между двумя неплавящимися электродами, или же (ток постоянный) — между одним из неплавящихся электродов

иприсадочным материалом (рис. 1.3). Высокотемпературная плазменная дуга используется для нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности новых деталей, например, клапанов двигателей. Возможность практического применения струи плазмы определяется ее эффективной тепловой мощностью, скоростью плазменного потока и распределением температуры в струе, которые, в свою очередь, зависят от конструкции сопла горелки, расхода газа

исилы тока. Указанные параметры определяют также глубину проплавления, не превышающую 0,1—0,6 мм. Потери теплоты в ходе плазменной наплавки могут достигать 35%.

Наиболее оптимальное рабочее напряжение и температура плазменной струи обеспечиваются в среде аргона и других инертных газов. При наплавке методом прямой дуги по отношению к наплавляемой детали применяют сжатую дугу прямого или косвенного действия. В зону наплавки подаются различные присадочные материалы: проволока, две проволоки, порошок одновременно с проволокой, только порошок. Наплавка может производиться по

9