10.2.3. Повышение срока службы деталей путем упрочнения их рабочих поверхностей

Упрочнением материала (рабочей поверхности детали) называется совокупность технологических операций, направленных на повышение прочности и других механических и эксплуатационных свойств.

Необходимость широкого применения различных методов упрочнения при изготовлении и ремонте объясняется с одной стороны постоянно возрастающими требованиями к прочности и износостойкости деталей, а с другой - возможностью уменьшения их массы, замены дорогостоящего и дефицитного материала более дешевым и доступным.

Все методы упрочнения можно условно разделить на следующие две группы.

Первая- методы, основанные на изменении строения материала путем пластической деформации, термической и термомеханической обработки или их совместного использования;

Вторая - методы, основанные на изменении состава поверхностного слоя материала путем его химико-термической обработки, нанесения покрытий из других материалов, наплавки и др. Вторую группу методов в определенной степени можно отнести к плакированию материала.

Возможны и промежуточные (комбинированные) методы упрочнения. Например, упрочнение трением цементированных поверхностей, наплавленных и цементированных поверхностей и др.

К первой группе методов упрочнения относятся:накатка (обкатка) роликами, ультразвуковая обработка, объемная и поверхностная закалка, высоко- и низкотемпературная термомеханическая обработка, электромеханическое упрочнение, упрочнение трением и др. Каждый из них наиболее эффективен при определенных условиях эксплуатации деталей.

Сущность накатки (обкатки) роликамизаключается в изменении поверхностного слоя путем пластической деформации. Под влиянием деформирующего элементаи взаимном относительном перемещении инструмента и детали неровности ранее обработанной поверхности пластически деформируются, в результате чего уменьшается шероховатость и упрочняется поверхностный слой. Чем выше степень пластической деформации, тем интенсивнее протекают указанные процессы, тем более мелкозернистая структура получается в конечном итоге, тем эффективнее процесс упрочнения. Основная доля упрочнения металла обусловлена увеличением искажений пространственной решетки, которые возникают за счет взаимодействия дислокаций друг с другом и с другими несовершенствами решетки в процессе пластической деформации. Таким образом, физическая сущность упрочнения заключается в торможении дислокаций, в создании препятствий для их перемещения.

Сущность вы­глаживания также заключается в изменении поверхностного слоя путем пластической деформации. Этот способявляется наиболее простым, доступным и эффективным методом отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхно­стным пластическим деформированием. Обработку выполняют, как правило, на обычном токарно-винторезном станке выглаживающими наконечниками из синтетических алмазов АРК4 со сфе­рической рабочей частью. Выглаживающий инструмент упруго поджимается к обрабатываемой детали с помощью несложных державок или оправок. Выглаживанию подвергают детали практически из любых металлов и с любыми металлическими покрытиями независимо от способа их нанесения (наплавкой, гальва­ническим наращиванием, напылением и др.). Под давле­нием выглаживающего инструмента микронеровности об­рабатываемой поверхности пластически деформируются, при этом шероховатость уменьшается, а поверхностный слой деталей упрочняется.

Особенность ультразвуковой обработки заключается в том, что специальный инструмент (гладилка), вибрируя с частотой ультразвука и определенной амплитудой смещения, создает ударное воздействие на упрочняемую поверхность, подвергая ее более интенсивному пластическому деформированию.

Сущность электромеханического упрочнениязаключается в том, что в процессе обработки через место контакта инструмента и детали проходит ток большой силы и низкого напряжения, вследствие чего гребешки микронеровностей сильно нагреваются и под давлением инструмента пластически деформируются и сглаживаются, при этом поверхностный слой упрочняется по аналогии с термомеханической обработкой. В качестве инструмента применяется вращающийся ролик, ось вращения которого лежит в одной плоскости с осью вращения заготовки.

Сущность электроискрового легирования заключается в использовании явления направленного разрушения металла электродов под действием самостоятельного электрического разряда. Этот метод применяется при нанесении на повеохность токопроводящих материалов слоев из сплавов, стойким к агрессивным средам, высоким температурам, изнашиванию и др. Различают два вида электроискрового легирования: «чистовое» (ток короткого замыканияІ_кз до 15А), при котором достигается наименьшая шероховатость при небольшой толщине упрочняемого слоя (0,1 мм) и „грубое” (І_кз более20А), при котором можно получать упрочненный слой 1-3 мм, но со значительной шероховатостью.

Покрытия, получаемые электроискровым легированием, имеют высокую прочность сцепления с основным металлом. В ряде слу­чаев прочность сцепления достигает 8 кгс/мм², что достаточно для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин и механизмов.

Электроискровым легированием можно повышать износостой­кость и твердость черных и цветных металлов. Так, твердость по­верхности стали может быть доведена до 2200, меди — до 1000, титана — до 1800 кгс/мм². Электроискровое легирование значи­тельно повышает износостойкость даже высоколегированных сталей при работе их на трение при высоких температурах.

Износостойкость образцов из закаленной стали 45, имеющей твердость HRC45 и упрочненной хромомарганцем и твердым спла­вом Т15К6, увеличивается в 2—3 раза; образцов из нормализован­ной стали У7, упрочненной феррохромом, — в 3 раза; белым чугуном — в 6 раз. Стеллитовые электроды дают незначительный эффект упрочнения.

Ряд исследований показывает целесообразность применения электроискрового легирования для повышения износостойкости деталей машин, работающих при высоких температурах, стойкости к накипеобразованию, кавитационной и гидроабразивной стойкос­ти. Так, гидроабразивная стойкость стали при упрочнении ее фер­рохромом возрастает в 4,5 раза, сплавом Т15К6 — в 8,5 раза.

Усталостная прочность деталей снижается в различной степени в зависимости от типа упрочняющего электрода и обрабатываемой подложки, режимов и длительности упрочнения. Так, усталостная прочность стали 45 после электроискрового легирования ее твер­дым сплавом ВЗК уменьшается на 22%, стали ЭГЖ-П и нормали­зованной стали 35 после обработки медным электродом — соот­ветственно на 43 и 37%. На предел пропорциональности, текучести и на временное сопротивление разрыву электроискровое легирова­ние заметного влияния не оказывает.

Сущность упрочнения трением, разработанного с участием автора, заключается в том, что обработка поверхности детали производится быстровращающимся металлическим диском. В результате такой обработки, сопровождающейся интенсивным трением и большим давлением, в зоне контакта происходит значительная пластическая деформация поверхностного слоя детали, его нагрев до высокой температуры и последующее быстрое охлаждение, приводящее к закалке. По существу происходит термомеханическая обработка с той лишь разницей, что степень пластической деформации значительно выше и как следствие, поверхностный слой имеет более мелкозернистую структуру. Этим в определенной степени объясняется более высокая эффективность упрочнения трением, поскольку чем меньше зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, так как границы зерен затрудняют переход ее из одного зерна в другое вследствие изменения направления движения. К тому же зародышевые трещины в мелком зерне меньше.

Эффективность упрочнения трением во многом определяется химическим составом поверхностного слоя, содержанием в нем углерода и легирующих элементов. Установлено, что с увеличением их содержания повышается эффективность упрочнения. Проведенные нами всесторонние исследования эффективности упрочнения трением цементированных поверхностей [9] показали, что по глубине упрочненного слоя имеется граница, после которой резко изменяется вид микроструктуры и значение микротвердости. В большей степени это проявляется, когда глубина цементации больше глубины упрочнения. Такое поведение при упрочнении трением цементированного слоя можно объяснить тем, что повышенное содержание углерода в слое приводит к понижению его теплопроводности, оказывающего влияние на повышение интенсивности теплового потока и образование значительных градиентов микротвердости. Последнее может привести к возникновению больших напряжений, способствующих образованию трещин. Установлено также, что уменьшение скорости вращения детали, увеличивая время действия теплового источника, приводит к увеличению глубины упрочнения и снижению градиента микротвердости при некотором общем снижении микротвердости.

Упрочнение трением цементированной вставки из стали 10ХСНД при восстановлении головки поршня МОД в заводских условиях микроструктура поверхностного слоя имеет однородное строение и распространяется на глубину 0,6 мм с микротвердостью до 9200 МПа, переходя затем плавно в структуру неполной закалки. Общая глубина упрочнения составляет около 1,2 мм.

Рассмотренные методы пластического деформирования можно использовать как при изготовлении деталей, так и при их восстановлении наплавкой, железнением (осталиванием) и др.

Ко второй группе методов упрочнения(восстановления) относятся:методы химико-термической обработки: цементация, азотирования, диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя другими металлами); газотермическое напыление (электродуговое, газопламенное, плазменное и детонационное); гальванопокрытия: железнение (осталивание), хромирование и др.); наплавка различными износостойкими сплавами (электродуговая, газовая, плазменная, лазерная и др.); совмещенные методы упрочнения и восстановления изношенных деталей: наплавкой с последующей цементацией и упрочнением трением, наплавкой с последующим хромированием и др.

Методы химико-термической обработки рассмотрены ранее. Что же касается других, то в судоремонте нашли широкое применение следующие методы, сущность которых, а также их преимущества и недостатки заключаются в следующем (эти методы можно рассматривать и как способы восстановления изношенных деталей, рассмотренные более подробно в разделе 8).

Электродуговое напыление (металлизация)заключается в расплавлении исходного материала в электрической дуге и напыление его струей воздуха на поверхность детали. Недостатками являются перегрев и окисление напыляемого материала, недостаточная прочность сцепления. К достоинствам следует отнести простоту метода.

Газопламенное напыление заключается в распылении металлической проволоки или порошковых материалов ацетиленокислородным пламенем или пламенем других горючих газов в смеси с кислородом. Оно отличается простотой, портативностью и мобильностью оборудования, низкими затратами на эксплуатацию, возможностью получать покрытия при низких температурах восстанавливаемых деталей и др. К недостаткам способа следует отнести невозможность получения покрытий из тугоплавких металлов, значительную пористость и недостаточную адгезию.

Плазменное напылениеи наплавказаключается в нанесении покрытия на поверхность детали с помощью плазмы, которая образуется при протекании сквозь столба электрического разряда плазмообразующего газа: аргона. Исходным материалом для нанесения покрытия служат проволока или гранулированный порошок. Плазменные покрытия обладают высокой плотностью и хорошим сцеплением с основой (в 3 раза выше, чем при газопламенном). К недостаткам следует отнести низкую производительность, значительный шум, сильное ультрафиолетовое излучение и высокие затраты.