3. Анализ и выбор антифрикционных износостойких покрытий
Существует несколько разновидностей технологий нанесения покрытий[1]:
газотермическое напыление(плазменное напыление, газопламенное напыление, детонационное напыление, электродуговое напыление, высокоскоростное напыление), плазменно-дуговая наплавка, плазменная наплавка напылением, скоростная плазменная наплавка, газопламенная наплавка, плазменная закалка, плазменная модификация, вакуумные методы нанесения покрытий, финишное плазменное упрочнение(ФПУ).
Рассмотрим обеспечение повышения работоспособности пар трения за счет использования уникальных возможностей прогрессивных процессов напыления и наплавки порошковых материалов, финишного плазменного упрочнения, плазменной закалки и плазменной модификации.
ЦЕЛЬ ПРОЦЕССОВ - изготовление новых или восстановление изношенных деталей и изделий с антифрикционными свойствами поверхности, обладающими повышенной стойкостью против задиров и схватывания, стойкостью против водородного изнашивания, обеспечивающими наилучшие условия удержания смазочного материала, уменьшение времени приработки, снижение шума и вибрации. Процессы предназначены для обработки деталей из углеродистых, легированных сталей и цветных сплавов.
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ СОСТОИТ:
в нанесении антифрикционных покрытий толщиной от десятых долей до нескольких миллиметров из порошковых материалов (металлических, керамических, полимерных) на поверхность деталей ручными или механизированными плазмотронами, газопламенными горелками, обеспечивающими универсальность процессов, гибкость регулирования режимов (процессы плазменной наплавки и газотермического напыления);
в нанесении тонкопленочного (2-4 мкм) аморфного покрытия при атмосферном давлении малогабаритным ручным плазмотроном за счет плазмохимических реакций при использовании специальных жидких препаратов (процесс финишного плазменного упрочнения);
повышении антифрикционных свойств поверхностного слоя основного металла двух или одной из сопряженных деталей пар трения за счет обработки поверхности специальными плазменными дугами или струями (процессы плазменной закалки и плазменной модификации).
Эффект от реализации процессов состоит в изменении физико-механических свойств новых или восстановленных рабочих поверхностных слоев: уменьшении коэффициента трения, увеличении микротвердости, создании сжимающих остаточных напряжений, залечивании микродефектов, образовании на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности и других факторах.
3.1 Материалы антифрикционных покрытий, наносимые методами наплавки и напыления
металлические (баббиты, бронзы, чугуны), керамические (оксиды, карбиды, нитриды), полимерные (фторопласты, полиэтилены и др.), аморфные.
ВЫБОР АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРОИЗВОДИТСЯ С УЧЕТОМ СЛЕДУЮЩИХ ТРЕБОВАНИЙ:
обеспечение заданной долговечности узла при необходимом значении коэффициента трения;
достаточная механическая прочность, для обеспечения жесткости сопряжений и выдерживания нормальных нагрузок;
соответствие теплофизических свойств, обеспечивающих работу в определенном тепловом режиме;
высокая износостойкость;
совместимость со смазочным материалом;
поддержание стабильного значения коэффициента трения в подвижном сопряжении;
хорошая прирабатываемость;
обеспечение минимального периода приработки;
исключение схватывания и задира;
в случае несовершенной смазки, а также кратковременных перерывов в подаче смазки к зоне контакта должны быть исключены повреждения трущихся поверхностей и выплавление антифрикционного слоя;
высокая теплопроводность при низком коэффициенте теплового расширения;
высокая коррозионная стойкость;
сохранение основных свойств материала в условиях воздействия таких эксплуатационных факторов как экстремальная температура и влажность, контакт с водой, смазочными и технологическими жидкостями, солнечной радиации и т.д.;
хорошая обрабатываемость;
сравнительная простота технологических процессов при изготовлении деталей и разработке эффективного контроля качества продукции;
возможность создания параметров шероховатости поверхностей трения близких к равновесным, т.е. обеспечивающим незначительный по длительности период приработки;
в некоторых случаях они должны обладать хорошей демпфирующей способностью, стабильностью линейных размеров при погружении в воду;
отсутствие разложения, выделения токсичных веществ, образования материалов, вызывающих загрязнение окружающей среды;
стойкость к микроорганизмам;
недефицитность.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ
По сравнению с аналогами - процессами избирательного переноса при трении, финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), вибрационной обработки, алмазного выглаживания, создания регулярного микрорельефа, безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО), использования твердосмазочных веществ в качестве покрытий и модифицирующих присадок, применения геоэнергетических активаторов, триботехнических составов НИОД, процессы наплавки, напыления, финишного плазменного упрочнения, плазменной закалки и плазменной модификации, обладают следующими отличительными свойствами:
комплексным решением проблем упрочнения и восстановления размеров;
оптимальным изменением различных физико-механических свойств поверхностного слоя, приводящих к увеличению ресурса узла трения;
получением регламентированной пористости покрытия при использовании процессов напыления.
3.2 Газотермическое напыление порошковых покрытий(ПН)
прогрессивный метод защиты деталей и конструкций от изнашивания и коррозии, восстановления размеров и декоративной обработки
СУЩНОСТЬ ПН состоит в нанесении покрытия из отдельных частиц порошкового материала, нагретого и ускоренного с помощью высокотемпературной плазменной струи.
ЦЕЛЬ ПН - изготовление деталей и изделий со специальными и декоративными свойствами поверхности: износостойкостью (за исключением деталей, испытывающих ударно-абразивное изнашивание), антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, кавитационностойкостью, эрозионностойкостью, электроизоляцией, стойкостью против фреттинг-коррозии и др.
ЭФФЕКТ ОТ ПН достигается за счет создания на поверхности изделия защитного покрытия, которое многократно повышает эксплуатационные свойства детали или восстанавливает первоначальный размер.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПН состоит из одного или двух серийных сварочных источников питания, малогабаритного плазмотрона и порошкового дозатора. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201 и сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и др. Плазмотрон (мощностью до 25 кВт) и порошковый дозатор изготавливаются по оригинальным конструкторским разработкам.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПН состоит из предварительной очистки (любым известным методом), активационной обработки ( например, абразивно-струйной) и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Скорость перемещения 2...30 мм/сек, расстояние между плазмотроном и изделием 100...150 мм, диаметр пятна напыления 10...25 мм, толщина покрытия 0,05...1,0 мм. Температура нагрева деталей при ПН не превышает 100...150 С. Плазмообразующим газом являются, как правило, аргон или воздух. Расход аргона 15...20 л/мин. В качестве порошкового материала, формирующего покры-тие, используются различные материалы и сплавы, тугоплавкие соединения, оксиды, полимеры и их композиции размером частиц до 100 мкм.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПН осуществляется визуально по наличию покрытия, а также по результатам адгезионных испытаний на образцах-свидетелях и др. методами.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПН: наличие вытяжной вентиляционной системы и защита органов зрения от излучения.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПН. По сравнению с аналогами - газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:
эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия за счет гибкости регулирования параметров и режимов работы плазмотрона;
высокие коэффициент использования порошка (до 85%), прочность сцепления покрытия с основой (до 60 МПа), низкая пористость;
высокая производительность процесса;
универсальность за счет получения покрытий из большинства материалов без ограничения их температур плавления;
нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала;
отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий;
низкое термическое воздействие на напыляемую основу, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, а также исключить нежелательные структурные превращения основного металла;
нанесение покрытия на локальные поверхности;
получение регламентированной однородной пористости покрытия для использования в условиях работы со смазкой поверхностей скольжения;
положительное влияние на усталостную прочность основы, за счет получения при ПН слоистой структуры покрытия, в отличие от столбчатой, образующейся при осаждении из газовой или паровой фазы, диффузионном насыщении;
нанесение покрытия с минимальными припусками для последующей механической обработки;
возможность использования для формообразования деталей (ПН производят на поверхность формы- оправки, которая после окончания процесса удаляется, остается оболочка из напыленного материала);
уменьшенный уровень шума и излучения;
надежность и стабильность оборудования, высокий ресурс элементов плазмотрона, за счет оптимизации условий охлаждения и обеспечения плавного нарастания и падения тока;
низкий расход аргона;
маневренность и возможность автоматизации процесса.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПН
Машиностроение: калибры, подшипники скольжения, подпятники упорных подшипников, гидроцилиндры, плунжера, направляющие и центры токарных станков, шпиндели и валы, шнеки экструзионных машин, детали перемо-точных, ткацких, прядильных машин, ножи для резки, вытяжные и гибочные штампы, матрицы для прессования тугоплавких металлов, кокили и т.п.
автомобильная промышленность: коленчатые валы, поворотные цапфы, втулки-шестерни коробки передач, оси коромысел, посадочные отверстия картера коробки передач, кулачки распределительных валов, ступицы маховиков двигателя, валы водяных насосов и вентиляторов, головки цилиндров, поршневые кольца, диски сцепления, выхлопные клапаны, рычаги управления, вилки переключения коробки передач, тормозные барабаны, шаровые пальцы рулевого управления, глушители, крылья и т.п.;
электротехническая и электронная промышленность: конденсаторы, поверхности антенн, вентиляционные лопатки турбогенераторов, торцовые уплотнения электрических машин, лентопротяжные механизмы, магнитные головки, механизмы перемещения перфокарт, ролики для подачи проволоки и сопла сварочных установок и т.п.;
строительство, угле- и нефтедобывающая промышленность: закладные детали, лопасти вентиляторов, детали конвейеров, шнеки бетономешалок и питателей для подачи угля, буровые коронки и т. п.;
химическая промышленность: лопасти дымососов, эксгаустеров, детали ковшей, черпаков, воздуходувок, рекуператоров, кожухи термопар, фурмы доменных печей, ролики рольгангов, валки прокатных станов и т.п.;
бытовая техника: днища кастрюль, сковородок, электронагревательные устройства и т.п.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПН определяется:
повышением надежности и долговечности выпускаемой и используемой продукции минимум в два раза;
сокращением затрат на изготовление запасных частей;
экономией металла, расходуемого на изготовление запасных частей;
высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных частей и восстановлении деталей;
увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, в следствии сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.
3.3 Плазменная закалка деталей(ПЗ)
прогрессивный метод локального поверхностного упрочнения, многократно повышающий надежность и долговечность изделий
СУЩНОСТЬ ПЗ состоит в высокоскоростном нагреве потоком плазмы поверхностного слоя металла и быстром его охлаждении в результате передачи тепла в глубинные слои материала детали.
ЦЕЛЬ ПЗ - изготовление деталей и инструмента с упрочненным поверхностным слоем толщиной до нескольких миллиметров при неизменном общем химическом составе материала и сохранении во внутренних слоях первоначальных свойств исходного металла.
МАТЕРИАЛЫ, ПОДВЕРГАЕМЫЕ ПЗ - инструментальные стали, чугуны, твердые сплавы, цементированные и нитроцементированные стали, цветные сплавы и другие материалы.
ЭФФЕКТ ОТ ПЗ определяется повышением эксплуатационных свойств детали, благодаря изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, вследствие образования специфической структуры и фазового состава металла с высокой твердостью и дисперсностью, а также получения на поверхности сжимающих остаточных напряжений.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЗ состоит из источника питания дуги, малогабаритного плазмотрона и механизма для перемещения плазмотрона или детали. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной резки УПРП-201, сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и другие. Плазмотрон изготавливается по оригинальным конструкторским разработкам. Механизмом для перемещения может служить серийное механическое, сварочное или наплавочное оборудование.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПЗ состоит из предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно ПЗ обрабатываемой поверхности путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот. Возможны следующие технологические варианты ПЗ - без оплавления и с оплавлением поверхности детали, с промежутками между упрочненными зонами или без них. Параметры процесса ПЗ - ток плазменной дуги (струи), расход плазмообразующего газа, расстояние между плазмотроном и изделием, скорость перемещения определяются алгоритмом, обеспечивающим получение оптимальных свойств в поверхностном слое упрочняемой детали. Интегральная температура нагрева в процессе ПЗ не превышает 150..200° С. В качестве плазмообразующего газа используются, как правило, аргон или его смеси с азотом, а также воздух. Средняя ширина закаленной зоны 6..13 мм.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЗ обработанной поверхности осуществляется визуально по наличию и сравнению цветовой окраски с эталоном, а также по увеличению твердости образца-свидетеля после ПЗ.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПЗ определяются применением сварочных источников нагрева и требуют использования вытяжной вентиляционной системы и защиты органов зрения от излучения.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЗ: режущий и мерительный инструмент, штампы, напильники; контуры резьбы ходовых винтов, шестерен, зубчатых колес, реек; рабочие профили кулачков, копиров, а также разнообразных пазов, канавок, отверстий; направляющие, шпиндели, валы, оси, штоки; детали фотоаппаратов, текстильных машин, ножи для обработки дерева, бумаги, синтетических материалов; рамные и дисковые пилы, иглы, лезвия бритв, прокатные валки, коленчатые и распределительные валы, детали газораспределительных механизмов двигателей и т.д.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЗ. По сравнению с аналогами - способами поверхностного упрочнения токами высокой частоты, газовым пламенем, химико-термической обработки, лазерным и электронно-лучевым упрочнением, данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:
низкие интегральные температуры нагрева деталей;
большая глубина упрочненного слоя по сравнению, например, с лазерной закалкой;
высокий эффективный КПД нагрева плазменной дугой до (85%), для сравнения, при лазерном
упрочнении - 5%;
отсутствие применения специальных дополнительных химических препаратов или веществ;
возможность ведения процесса без применения охлаждающих сред, вакуума, специальных
покрытий для повышения поглощательной способности упрочняемых поверхностей;
в отличие от лазерного оборудования, отсутствие специальных хладоагентов для охлаждения;
простота, низкая стоимость, маневренность, малые габариты технологического оборудования;
возможность автоматизации и роботизации технологического процесса.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЗ определяется:
повышением работоспособности и износостойкости деталей и инструмента;
сокращением затрат на изготовление запасных деталей и дополнительного количества инструмента для выполнения заданной производственной программы;
уменьшения объема заточных операций, времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков для инструмента, подвергнутого ПЗ;
высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных деталей и дополнительного количества инструмента;
интенсификацией режимов работы инструмента;
увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, вследствие сокращения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.
3.4 Плазменно-дуговая наплавка порошковыми и проволочными материалами(ПДН)
Эффективный метод получения специальных свойств поверхностей и восстановления изношенных размеров деталей и изделий.
СУЩНОСТЬ ПДН состоит в нанесении покрытия из расплавленного присадочного порошкового или проволочного материала на металлическую поверхность с использованием в качестве источника нагрева плазменной дуги, горящей между электродом плазмотрона и изделием.
ЦЕЛЬ ПДН - изготовление новых деталей и изделий со специальными износо- и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих высокой плотностью и прочностью сцепления с изделием, работающих в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок или подверженных абразивному изнашиванию.
ЭФФЕКТ ОТ ПДН достигается за счет создания на поверхности изделия прочного, износостойкого, твердого покрытия, которое многократно повышает эксплуатационные свойства или восстанавливает первоначальный размер детали, при сохранении пластичной, вязкой, трещиностойкой основы металла.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПДН состоит из сварочного источника питания, малогабаритного плазмотрона, порошкового дозатора или устройства по-дачи проволоки, а также манипулятора перемещения детали или плазмотрона. В качестве источника питания используются установки плазменной сварки и наплавки УПНС-304, плазменной обработки УПО-302, УПВ-301, плазменной механизированной наплавки УПН-303, а также сварочные выпрямители ВД-201, ВД-306, ВДУ-506 и др. Плазмотрон и порошковый дозатор изготавливаются по оригинальным конструкторским разработкам. Манипулятором для перемещения может служить серийное механическое, сварочное, наплавочное оборудование или другие устройства.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПДН состоит из предварительной подготовки и непосредственно ПДН, путем перемещения изделия относительно плазмотрона или наоборот с одновременной подачей присадочного материала в зону горения дуги. В качестве присадочного материала используются разнообразные металлические порошки, цельнотянутые сварочные и наплавочные проволоки, порошковые проволоки и литые присадочные прутки. Номенклатура наплавляемых материалов: углеродистые, легированные и высоколегированные стали, легированные чугуны, сплавы на основе железа, никеля, кобальта, цветные металлы, смеси с карбидами и др. Производительность ПДН порошковыми материалами составляет до 10 кг/час, проволочными - до 18 кг/час, минимальная толщина наплавленного слоя - 0,5 мм, ширина наплавляемого валика (без поперечных колебаний плазмотрона) - до 10 мм, скорость наплавки до 300 мм/мин, расстояние между плазмотроном и изделием 5-15 мм. Плазмообразующим, защитным и транспортирующим газом для порошковых материалов служит аргон с расходом, соответственно: 1-3 л/мин, 8-15 л/мин, 5-15 л/мин. В качестве присадочного материала используются различные порошковые сплавы размером частиц 60-300 мкм, сварочные и наплавочные проволоки диаметром 1-3,6 мм.
ПДН выполняется в один или несколько слоев с поперечными колебаниями или без них на токе прямой или обратной полярности. Возможны следующие технологические варианты проведения процесса ПДН:
ручная с подачей присадочной сплошной или порошковой проволоки;
ручная с подачей присадочного порошкового материала;
ручная импульсная проволочными или порошковыми материалами;
механизированная (непрерывная или импульсная) проволочными или порошковыми материалами.
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПДН осуществляется визуально по отсутствию в наплавленном слое дефектов и др. методами.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПДН: наличие вытяжной вентиляционной системы и защита органов зрения от излучения.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПДН по сравнению с аналогами - газопламенной и электродуговой наплавкой в среде углекислого газа и аргона процесс ПДН имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:
минимальная доля основного металла в наплавленном;
высокая стабильность и устойчивость дуги;
увеличенный зазор между изделием и соплом плазмотрона снижает требования к точности его поддержания, облегчает наблюдение за наплавкой и обеспечивает свободу маневра с присадочным материалом;
наименьшее снижение сопротивления усталости наплавленного изделия;
незначительный припуск на последующую механическую обработку;
максимальная производительность;
минимальный расход вольфрамового электрода.;
возможность ведения процесса на постоянном токе обратной полярности повышает качество и стабильность свойств наплавленного слоя за счет эффекта катодной очистки, проявляющегося в удалении оксидных и адсорбированных пленок и улучшении смачивания жидким металлом обрабатываемой поверхности, более низкого тепловложения по сравнению с наплавкой на токе прямой полярности и, как следствие, отсутствие или минимальное расплавление подложки;
при ПДН порошковыми материалами получение наплавленного металла практически любого типа из относительно небольшой номенклатуры исходных порошков (путем их смешивания), точно заданная глубина проплавления и толщина покрытия, высокая равномерность по толщине слоя, возможность обеспечения необходимого состава, структуры и свойств уже в первом слое металла наплавки, малые остаточные напряжения и деформации, отсутствие разбавления наплавленного покрытия основным металлом;
импульсная ПДН позволяет обеспечить точное регулирование геометрии наплавленного валика, получить минимальную ширину валика, осуществлять наплавку на узкие кромки изделий без их перегрева, оплавления углов и расплавления основного металла;
возможность процесса наплавки деталей малых размеров;
высокий уровень механизации и автоматизации технологического процесса.
ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПДН - изготовление и восстановление различных деталей оборудования нефтяной и газовой промышленности, металлургических производств, сельскохозяйственной техники, тракторов, автомобилей, бумагоделательного производства, дорожных машин, деревообрабатывающего производства, землесосных снарядов, горнодобывающего и горно-перерабатывающего производств, штампов, прессформ, режущего инструмента, уплотнительных поверхностей энергетического, химического и нефтяного оборудования и др.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПДН определяется:
повышением надежности и долговечности выпускаемой и используемой продукции минимум в два раза;
сокращением затрат на изготовление запасных частей;
экономией металла, расходуемого наизготовление запасных частей;
высвобождением работников, занятых на изготовлении запасных частей и восстановлении деталей;
увеличением выпуска продукции на существующем оборудовании, в следствии сохранения простоев для замены изношенных деталей и аварийных ремонтов оборудования.
3.4.1 Износостойкие и антифрикционные покрытия, наносимые плазменно-дуговым методом.
Электрокорунд нормальный
Состав :Электрокорунд марки 14А, 15А, зернистостью М40, М50 с подслоем ПГ-Ю10Н.
Твердость, HRCэ :60...64.
Прочность сцепления с основой, МПа :25...35.
Пористость, % : 12...14 (после пропитки до 3).
Рекомендуемая толщина, мм : 0,25...0,5.
Служебные свойства покрытия : Высокая стойкость против абразивного и контактного износа при отсутствии динамических нагрузок и упругих деформаций в процессе эксплуатации при температурах ниже 1100 оС, высокое электросопротивление.
Область применения : Применяется для упрочнения деталей экспандеров, экструдеров, насосов, обдирочных узлов кормоприготовительного оборудования, рольгангов и транспортеров печного оборудования; электроизоляция валов и дисковых электродов установок ЭХО, электроконтактной резки и др.
Размеры напыляемых деталей (диаметр наружний (внутр.) х длина), мм : 400(150)х1500.
Оксид хрома
Состав :Оксид хрома марки ОХН-1Мс с подслоем ПГ-Ю10Н.
Твердость, HRCэ :60...64.
Прочность сцепления с основой, МПа :25...35.
Пористость, % : 6...8 (после пропитки до 1,5).
Рекомендуемая толщина, мм : 0,25...0,5.
Служебные свойства покрытия : Высокая стойкость против абразивного и контактного износа при отсутствии динамических нагрузок и упругих деформаций в процессе эксплуатации при температурах ниже 1100 оС, высокое электросопротивление.
Область применения : Применяется для упрочнения деталей экспандеров, экструдеров, насосов, обдирочных узлов кормоприготовительного оборудования, рольгангов и транспортеров печного оборудования; элекроизоляция валов и дисковых электродов установок ЭХО, электроконтактной резки и др.
Размеры напыляемых деталей (диаметр наружний (внутр.) х длина), мм : 400(150)х1500.
Бронза оловянисто-никелевая, самофлюсующаяся
Состав :ПР-БрОл8НСР.
Твердость, HB :140...180.
Прочность сцепления с основой, МПа :150...200 (после оплавления).
Пористость, % : 0.
Рекомендуемая толщина, мм : 0,5...1,5.
Служебные свойства покрытия : Низкий коэффициент трения, высокая устойчивость против износа и задиров.
Область применения : Применяется для изготовления и восстановления биметаллических деталей: поршни, крышки, кольца синхронизаторов, вкладыши и опорные пошипники скольжения и др.
Размеры напыляемых деталей (диаметр наружний (внутр.) х длина), мм : 400(150)х1500.
Cамофлюсующийся твердый сплав на никелевой основе
Состав :ПР-НХ17СР4 или ПС-12НВК-01.
Твердость, HRCэ :55...60.
Прочность сцепления с основой, МПа :350...400 (после оплавления при Т=1080...1100оС).
Пористость, % : 0.
Рекомендуемая толщина, мм : 0,5...1,0.
Служебные свойства покрытия: Высокая стойкость против контактного и абразивного износа, а также высокая коррозионная и кавитационная стойкость при температурах ниже 700 оС.
Область применения : Применяется для упрочнения и восстановления деталей экспандеров, экструдеров, буровых, скважных и магистральных насосов, прессовой и формовочной оснастки и др.
3.5 Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО)
Для обеспечения высокой несущей способности контактирующих поверхностей трения все большее распространение находит финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей трения деталей. Этот метод разработан Д.Н.Гаркуновым и В.Н.Лозовским. В настоящее время под ФАБО понимают различные способы финишной обработки, основанные на использовании в процессе трения явлений схватывания поверхностей и избирательного переноса (ИП).
Сущность ФАБО состоит в том, что поверхности трения деталей покрывают тонким слоем (1-5 мкм) меди, латуни, бронзы или другими антифрикционными твердосмазочными материалами, вследствие чего они приобретают высокие антифрикционные свойства и контактную жесткость. Методом ФАБО можно уменьшить шероховатость грубых поверхностей с Ra > 0,63 мкм, а шероховатость поверхностей с величиной Rа = 0,63—0,16 мкм остается без изменений. Структура образующейся после ФАБО пленки пористая, поэтому она хорошо впитывает смазку. Перед ФАБО поверхность обезжиривают и обрабатывают металлоплакирующим раствором, который в процессе трения разрыхляет окисную пленку на стальной поверхности, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания его со сталью. Предварительно детали можно шлифовать, точить, развертывать или хонинговать. ФАБО можно проводить на токарных, сверлильных, хонинговальных, суперфинишных и других металлорежущих станках. ФАБО гарантирует получение слоя меди, латуни или бронзы толщиной 4-6 мкм на стали или чугуне. Шероховатость покрытия составляет Rz = 0,6-l,2 мкм. При нанесении покрытий в течение 15 мин и более, особенно при трении без включения подачи штифта, на поверхности детали возникает избирательное растворение легирующих элементов из меди, латуни или бронзы, появляется предпосылка осуществления избирательного переноса материала. Натертый слой еще более сглаживается, приобретая красноватую окраску. Толщина слоя в условиях избирательного переноса составляет 1-3 мкм. Площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации.
Образующуюся в процессе трения пленку называют "сервовитной" (от латинского servo-witte - спасать жизнь) или самогенерирующейся. Образование этой пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлении неживой природы, изучение которых только началось. Сервовитная пленка может возникнуть под действием, как смазочного материала, так и условий нагружения. Пара трения, в которой возбуждается и активно поддерживается эффект избирательного переноса, характеризуется следующими особенностями: возникающая сервовитная пленка имеет, благодаря эффекту избирательного растворения, дефектную дислокационную структуру, которая может придать пленке свойства квазижидкости, благодаря чему могут быть уменьшены силы трения и одновременно существенно увеличена реальная поверхность контакта.
Самообразование сервовитного слоя в зоне контакта бронза-сталь в среде смазочного материала, обеспечивающего избирательный перенос, происходит при сравнительно малом расходе материалов. При этом добавление в смазочный материал незначительного количества слоеобразующих медьсодержащих присадок способствует уменьшению расхода цветных металлов на образование сервовитного слоя. Установлено, что благоприятное воздействие сервовитного слоя проявляется даже в том случае, когда толщина его в зоне контакта составляет всего несколько атомных слоев. Толщина пленки при избирательном переносе в 10-40 раз меньше толщины приработочных покрытий, полученных гальваническими способами.
Процесс образования сервовитной пленки при трении в паре сталь-сталь следующий. Пленка образуется, если в металлоплакирующих смазочных материалах содержатся мелкие частицы (порошки) бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании глицерина или консистентной смазки ЦИАТИМ-201 с добавлением порошков стальные поверхности деталей покрываются пленкой, состоящей из материала порошков. Такие пленки обладают высокой пластичностью, они пористы и содержат в порах смазочный материал
В настоящее время основные способы ФАБО можно разделить на две группы:
1. Нанесение металлических покрытий: фрикционно-механическим способом прутковым инструментом; фрикционно-химическим способом.
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием, в суспензии твердой смазки или специальными методами хонингования.
Сущность фрикционно-химического способа заключается в том, что ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах, содержащих в своем составе поверхностно-активные вещества и химические соединения металлов, способных восстанавливаться на поверхностях обрабатываемых деталей при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток или других инструментов из неметаллического или металлического материалов. Данные исследования представляют интерес для восстановления шеек коленчатых валов под очередной ремонтный размер с последующей обработкой их по предлагаемой технологии.
Использование предлагаемого решения позволяет повысить качество обрабатываемых поверхностей за счет нанесения на поверхность металлических пленок с низким коэффициентом трения, а также поверхностно-пластического упрочнения поверхности с формированием на ней регулярного микрорельефа, что улучшает эксплуатационные свойства.
3.6 Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов (БУФО)
Уникальность технологии состоит в том, что после обработки поверхности металла резцом, мы получаем шероховатость поверхности до 10-12 класса (Ra=0,04-0,1 мкм). При обработке закаленных сталей и исходной шероховатости Ra на уровне 0,4 мкм, получаем шероховатость на уровне 0,025 мкм (12 кл.). Микротвердость обработанного слоя, например, стали, увеличивается на 5 - 35%, повышается усталостная прочность, увеличивается до 90% опорная поверхность, остаточные напряжения трансформируются в сжимающие, некруглость геометрии детали после резца снижается на 25-30%, при условии твердого точения детали в размере использование БУФО исключает необходимость применения шлифовальных станков. Микротвердость поверхности металла повышается при обработке структур, например, алюминия более чем на 100 %; стали до закалки — на 15-30 %, после закалки на 5-10 %; повышается усталостная прочность детали.
Более того, возможно одновременная обработка детали резанием и ультразвуком; при этом технология освобождается от абразива, войлока, притирочных паст и грязной ручной работы. Естественно, исключается внутрицеховая транспортировка деталей, возможные припуски, экономятся производственная площадь, электроэнергия, отпадает потребность в специалистах - шлифовщиках.
БУФО деформирует поверхность, сглаживает вершины микронеровностей и упрочняет поверхностный слой. За один финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверхности Rа=6,3 мкм Вы получаете поверхность с Rа= 0,1мкм(10 класс).БУФО обрабатываются сталь (большинство известных марок), алюминий, медь и другие цветные металлы. Позволяет обрабатывать различные конструктивные формы поверхностей: цилиндрические, плоские, наружные и внутренние, торцевые, конические, шаровые поверхности металлов; различные выступы и впадины; прямоугольные и радиусные канавки. Комплект БУФО устанавливается на любые токарные, строгальные, плоскошлифовальные и др. станки, предназначенные для металлообработки. Исключает ручной труд, необходимость применения абразивных материалов. Упрощает технологический процесс и исключает применение некоторых типов станков, например шлифовальных. Уменьшает объемы внутрицеховой транспортировки деталей. Экономит производственные площади, электроэнергию, трудозатраты. Уменьшает необходимые припуски размеров в технологических операциях. БУФО открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения. Пары трения при этом обретают исключительную износоустойчивость. Резко - в 2-3 раза увеличиваются межремонтные сроки двигателей, станков, компрессоров, насосов и т.п. техники. Технология и оборудование БУФО не имеют аналогов в мировом машиностроении, защищены Патентами РФ, имеют сертификаты и используются на десятках заводов страны.
Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов (БУФО) состоит из источника питания - ультразвукового генератора, акустической головки, соединительного шланга для подачи электрической энергии от генератора к акустической головке, шланга для подачи смазочно-охлаждающей жидкости от станка к акустической головке.
На обмотку преобразователя от источника питания по кабелю через соединительный штуцер подается напряжение повышенной частоты (22,0±0,03) кГЦ. После преобразования электрической энергии в механические колебания волновода акустической системы энергия передается к излучателю ультразвука.
Акустическая система монтируется в акустической головке. При подаче акустической головки, закрепленной в резцедержателе токарного станка, излучатель входит в контакт в поверхностью детали, подлежащей финишной обработке. Поверхность излучателя при ударе оставляет соответствующий отпечаток. При вращении детали образуется полоска, при подаче - формируется площадь.
В мировой практике станкостроения нет аналогов БУФО. Преимущества применения комплекта БУФО заключаются в следующем:
- установленный на шлифовальный станок, он не обрабатывает металл резанием, а производит наклеп, упрочняя поверхностную структуру металла. Остаточные напряжения становятся сжимающими, усталостная прочность изделия повышается;
- его установка, например, на токарный станок, позволяет произвести весь комплекс работ от грубого резания до финишной обработки за один "установ" детали;
- комплект мобилен: он может устанавливаться практически на всех универсальных станках - токарных, строгальных (в том числе и на шлифовальных) без каких-либо дополнительных устройств; акустика крепится непосредственно в резцедержателе, аналогично резцу;
- конструкция комплекта позволяет использовать его на огромном парке станочного оборудования, уже имеющемся во всех странах. В комплект БУФО заложены элементы унификации и он может обрабатывать тела вращения, плоские детали, специальные приливы, пазы и т. п. формообразования.
Существует мнение что БУФО позволяет заменить шлифовку. Это не совсем так.
Дело в том, что БУФО не режет металл. Значит, если говорить об изменении размеров детали, то при БУФО это происходит только в пределах изменения от Ra исходной до Ra конечной.
Например, если идет обработка незакаленной стали с Ra=6,3 мкм (4 кл.), то после одного прохода излучателем ультразвука мы получаем Ra= 0,1мкм (10 кл.), значит, изменение диаметра детали происходит на уровне 12,4 мкм. При обработке одной стороны плоских деталей при изменении Ra от 6,3 мкм до Ra=0,1 мкм изменение толщины детали составит 6,2мкм.
При обработке закаленных сталей после шлифовки при шероховатости Ra=0,4мкм (8 кл.) мы за один проход излучателем можем получить Ra=0,025 мкм (12 кл.)
Далее, при шлифовке идет разупрочнение поверхности структуры металла. При БУФО - наоборот, идет ее упрочнение. И, фактически, повышается усталостная прочность детали.
Таким образом, БУФО можно и нужно использовать не вместо шлифовки, а после шлифовки деталей в размер, или тогда, когда шлифовка не нужна. Или при необходимости шлифовки большого сортимента деталей по металлам, габаритам и конструктивным формам деталей. В этом случае в производственной структуре фирмы необходимо иметь гамму шлифовальных станков. Это дорого. И не всегда оправдано. В этом случае надо иметь в виду, что комплект БУФО может быть поставлен на любой из этих станков, причем на плоскошлифовальных станках без каких-либо существенных изменений станка или акустической головки.
Технология БУФО исключает использование шлифовки и, более того, выход на 12 класс шероховатости и упрочнение поверхности только в случае, если состояние станка, на котором ведется предыдущая технологическая операция детали, обеспечивает заданный ей класс точности.
3.7 Финишное плазменное упрочнение(ФПУ)
СУЩНОСТЬ ФПУ состоит в нанесении износостойкого покрытия с одновременным осуществлением процесса повторной плазменной закалки приповерхностного слоя (на глубину нескольких микрометров). Покрытие является продуктом плазмохимических реакций реагентов, прошедших через дуговой плазмотрон. Закалка происходит за счет локального воздействия высококонцентрированной плазменной струи.
ЦЕЛЬ ФПУ - изготовление инструмента, штампов, прессформ, ножей, фильер, подшипников и др. деталей машин со специальными свойствами поверхности: износостойкостью, антифрикционностью, коррозионностойкостью, жаростойкостью, разгаростойкостью, антисхватыванием, стойкостью против фреттинг-коррозии и др.
ЭФФЕКТ от ФПУ достигается за счет изменения физико-механических свойств поверхностного слоя: увеличения микротвердости, уменьшения коэффициента трения, создания сжимающих напряжений, залечивания микродефектов, образования на поверхности диэлектрического и коррозионностойкого пленочного покрытия с низким коэффициентом теплопроводности, химической инертностью и специфической топографией поверхности.
ОБОРУДОВАНИЕ для ФПУ включает в себя переносной блок аппаратуры с жидкостным дозатором, малогабаритный плазмотрон с плазмохимическим генератором и источник питания. Дополнительно данное оборудование может комплектоваться манипулятором, блоком автономного охлаждения, мобильной вытяжной системой и прибором контроля нанесения покрытия.
Рис.2. Блок аппаратуры
Рис.3. Плазматрон
Рис.4. Источник тока
Рис.5. Комплекс оборудования для ФПУ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ток дуги - 100-150 А
напряжение дуги - 40 В
ПВ - 100 %
расход аргона не более 3-5 л/мин
расход препаратов «Сетол1» и «Сетол2» не более 1 г/ч
расход воды не более 350 л/ч
масса - 195 кг
габариты - 760х620х1150 мм
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФПУ проводится при атмосферном давлении и состоит из операций предварительной очистки (любым известным методом) и непосредственно упрочнения обрабатываемой поверхности путем взаимного перемещения изделия и плазмотрона. Скорость перемещения - 1-10 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием - 10-15 мм, диаметр пятна упрочнения - 12-15 мм, толщина покрытия - 0,5-3 мкм. Температура нагрева деталей при ФПУ не превышает 100 - 150°С. Параметры шероховатости поверхности после ФПУ не изменяются. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, исходным материалом для прохождения плазмохимических реакций и образования покрытия является специальный жидкий двухкомпонентный препарат СЕТОЛ. Его расход не превышает 0,5 г/ч (не более 0,5 литра в год).
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФПУ осуществляется по наличию и сравнению цветовой гаммы покрытия на обработанной поверхности и эталона, а также другими методами.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ при ФПУ не накладывают ограничений для широкого использования и определяются применением сварочных источников нагрева.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФПУ: упрочнение режущего инструмента, штампов, ножей, пил, пресс-форм, калибров, фильер, шестерен, подшипников, деталей машин типа валиков, кулачков, направляющих, фиксаторов, прижимов, толкателей и т.д.
ВНЕДРЕНИЕ ФПУ - на предприятиях России, стран СНГ и зарубежья повышает стойкость упрочненных изделий в 2-10 раз.
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФПУ: По сравнению с аналогами - ионно-плазменным напылением, лазерным и электроискровым упрочнением, эпиламированием, нанесением кластерных покрытий - данный процесс имеет ПРЕИМУЩЕСТВА:
высокая воспроизводимость и стабильность упрочнения за счёт двойного эффекта - от износостойкого покрытия и структурных изменений в тонком приповерхностном слое;
проведение процесса упрочнения на воздухе при температуре окружающей среды не требует применения вакуумных или других камер и ванн;
вследствие нанесения тонкоплёночногопокрытия (толщиной не более 3 микрометров), укладывающегося в допуски на размеры деталей, процесс упрочнения используется в качестве окончательной финишной операции;
отсутствие изменений параметров шероховатости поверхности после процесса упрочнения;
минимальный нагрев в процессе обработки (не более 100-120 °С) не вызывает деформаций деталей, а также - позволяет упрочнять инструментальные стали с низкой температурой отпуска;
возможность упрочнения локальных (по глубине и площади) объемов деталей в местах износа с сохранением исходных свойств материала в остальном объёме;
тонкоплёночное покрытие по микротвёрдости наиболее близко к алмазоподобным покрытиям;
образующиеся на поверхности упрочнения сжимающие остаточные напряжения при циклической нагрузке повышают усталостную прочность изделия (для сравнения: после операции шлифования возникают растягивающие напряжения, ведущие к снижению усталостной прочности);
высокая адгезионная прочность сцепления покрытия с основой обеспечивает максимальную сопротивляемость истиранию (в том числе - при взаимодействии инструмента с обрабатываемым материалом);
низкий коэффициент трения способствует подавлению процессов наростообразования при резании или налипания при штамповке и прессовании;
формирование специфического микрорельефа поверхности способствует эффективному его заполнению смазочно-охлаждающей жидкостью при эксплуатации инструмента и деталей машин;
образующееся на поверхности тонкоплёночное аморфное (стеклообразное) покрытие защищает изделие от воздействия высокой температуры (испытания на высокотемпературную воздушную коррозию в течение 100 часов при температуре 800 °С);
высокая производительность упрочнения (время обработки, например, кромок вырубного штампа средних размеров может составлять несколько минут);
простота операций по очистке и обезжириванию перед упрочнением (отсутствие специальной предварительной подготовки);
возможность упрочнения поверхностей деталей любых габаритов в ручном или автоматическом режимах;
минимальное потребление и низкая стоимость расходных материалов;
низкая потребляемая мощность установки для упрочнения - менее 6 кВт;
незначительная площадь, занимаемая оборудованием - 1-2 м2;
малогабаритный плазмотрон для упрочнения (массой около 1 кг) может быть легко закреплён на манипуляторе, в руке робота, а также - позволяет вести обработку вручную;
транспортабельность и маневренность оборудования ( масса блока аппаратуры - менее 15 кг, источника питания - 100-200 кг);
экологическая чистота процесса в связи с отсутствием отходов при упрочнении;
минимальный уровень шума, не требующий специальных мер защиты;
в отличие от методов упрочнения с использованием поверхностно-активных веществ - в данной технологии отсутствуют особые требования к помещению, нет контактирования с токсичными материалами, не требуется затрат времени на выдержку в растворах и сушку обработанных деталей.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФПУ штампов, инструмента и других изделий определяется повышением их работоспособности и износостойкости, сокращением необходимого количества для заданной производственной программы, экономией инструментальной стали, уменьшением объёма заточных операций, сокращением времени и средств, связанных с настройкой прессов и металлообрабатывающих станков, возможностью интенсификации режимов работы.
Экономическая эффективность использования ФПУ связана с повышением работоспособности упрочненного инструмента и определяется:
уменьшением количества выпуска режущего инструмента и оснастки собственного изготовления, упрочняемых ФПУ и необходимых для заданной производственной программы минимум в 2 раза;
уменьшением программы закупок режущего инструмента и оснастки, упрочняемых ФПУ, минимум в 2 раза;
экономией закупаемой инструментальной стали, в связи с уменьшением количества изготавливаемого инструмента и оснастки;
уменьшением объёма заточных операций и количества приобретаемого шлифовального инструмента при выполнении конкретной производственной программы с использованием упрочненного инструмента и оснастки;
уменьшением затрат, связанных с настройкой и переналадкой прессов, станков и другого оборудования при выполнении конкретной производственной программы в связи с использованием более долговечного инструмента и оснастки;
возможностью повышения интенсификации режимов обработки и соответственно увеличением производительности труда с использованием упрочненного инструмента и оснастки.
Экономические расчеты эффекта от применения ФПУ основываются на знании времени упрочнения конкретной программы инструмента и технологической оснастки.