Выборочная защита поверхности
Так как процесс изнашивания протекает только в поверхностных областях, то с экономической точки зрения целесообразно применять материалы с повышенной износостойкостью только в этих зонах. Для этого на подверженные износу детали наносят покрытия из снижающих его материалов. В настоящее время известен целый ряд таких способов, например цианирование, титанирование, плазменное напыление неорганических материалов, электролитическое осаждение неметаллических неорганических соединений в металлическую матрицу. О таких способах, как борирование и напыление в ударной волне мы просто упомянем. Что происходит при нанесении этих покрытий и где они могут применяться? При цианировании атомы азота и углерода диффундируют в материал покрываемой детали и образуют в его поверхностных областях защитные слои, содержащие карбонитриды. Особо эффективно цианирование в газовой фазе при 350-700 °С, над разработкой которого очень интенсивно работают в ГДР. Благодаря сравнительно невысокой температуре обработки покрываемые детали лишь незначительно меняют свои размеры и форму, тогда как при традиционных способах термообработки эта опасность была серьезной. По сравнению с нитрированием значительно сократилось время нанесения покрытий, на краях детали больше не происходит обезуглероживания, а получаемые защитные слои стали намного менее хрупки, чем «чистые» нитридсодержащие слои. Они почти не подвержены отслаиванию. С помощью цианирования можно покрывать значительно большее количество разнообразных железных материалов.
Области применения низкотемпературного газового цианирования относительно велики. Таким способом защищают, например, штоки поршней в телескопических амортизаторах, играющих важную роль в грузовых автомобилях. Ранее эти детали хромировали. Благодаря переходу к цианированию на предприятиях ГДР, изготовляющих телескопические амортизаторы, освободилось десять рабочих мест, что дало в год экономии в 30000 рабочих часов (или 900000 марок). Кроме того, отпала необходимость в использовании цветных металлов: меди, хрома и никеля, а для изготовления амортизатора можно с таким же успехом применять и стали невысокого качества. Обработанные таким способом амортизаторы обладают более высокой коррозионной стойкостью и более длительным сроком службы.
Титанирование происходит также при действии тепловой энергии. Газовую реакционную смесь (например, тетрахлорид титана и метан) подводят к предварительно нагретой до 1000-1100 °С поверхности железной детали. Газообразные реакционные компоненты связываются на поверхности детали. На границе твердой и газовой фаз при участии углерода материала детали протекает реакция
При этом одновременно протекают процессы диффузии и кристаллизации. Образующийся в результате этих реакций защитный слой толщиной до 0,01 мм состоит из карбида титана, обладающего особенно высоким сопротивлением износу. Детали из материалов, склонных к износу, можно этим способом защищать очень эффективно.
Многообразны возможности применения защитных покрытий, полученных титанированием. Этот способ применяется, например, при изготовлении вытяжных шпуль для производства химических волокон. Если стальную гильзу шпули покрыть карбидом титана, срок ее службы возрастает в три раза. Благодаря этому стало возможным полнее удовлетворить потребности текстильной промышленности, а следовательно, и населения в химических волокнах. Такой же рост долговечности можно наблюдать и при покрытии карбидом титана стальных нитераскладчиков и ушек-деталей текстильных машин.
По-другому происходит нанесение защитных покрытий в струе плазмы. Материалы, снижающие износ (обычно порошок с размером частиц 10-100 мкм) полностью или частично расплавляются в струе плазмы и наносятся на соответствующие поверхности детали (128). Путем плазменного напыления на недорогие материалы на основе железа можно наносить износостойкие покрытия из металлов, керамических и металлокерамических материалов, причем именно в тех местах, где возникает наибольший износ. Такими веществами являются вольфрам, ванадий, титан, цирконий, а также карбиды, оксиды, нитриды, бориды и силициды с добавками никеля или кобальта. Покрытия из твердых веществ ценятся прежде всего при защите тугоплавких металлов от окисления, особенно опасного для деталей двигателей и ракет. Они, помимо этого, термически изолируют материалы и снижают их потери.
Так, например, ракета, возвращающаяся в земную атмосферу, не должна нагреваться выше 400 °С, иначе измерительные приборы, расположенные под стальной оболочкой толщиной 1,6 мм, выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, на оболочку из специальной стали путем плазменного напыления наносят слой оксида циркония толщиной 0,4 мм, стабилизированный оксидом кальция. Другими примерами применения являются нанесенные в плазменной струе защитные покрытия из оксида алюминия на шарикоподшипниках и из молибдена на стальных дюзах.
Износостойкие защитные покрытия можно изготовить, наконец, и при низких температурах. Особенно ценятся так называемые дисперсионно-металлические покрытия, в которых в электролитически осажденный металл внедряется диспергированный неорганический материал или органические полимеры, например политетрафторэтилен. Благодаря этому возникает определенный смазывающий эффект.
По такому способу никель из водного раствора его соли электролитически осаждается на катоде, представляющем собой покрываемую деталь ( 129). Раствор электролита одновременно содержит частицы оксида алюминия размером от 1 до. 5 мкм, которые проникают в слой никеля. Подобные дисперсионные слои достигают толщины 0,2 мм. При небольших нагрузках на поверхность они могут существенно уменьшить износ. Дисперсионные покрытия ценятся, в основном, как поверхности скольжения в цилиндрах моторов, нажимных валиках и пресс-формах.
Эти, пусть немногочисленные примеры дают представления о разнообразии способов защиты деталей и показывают, что даже при современном уровне знаний можно успешно бороться с износом, а в будущем следует ожидать еще большего прогресса.
Кольца фар легковых и грузовых автомобилей покрываются на этой автоматической линии медью, никелем и хромом (слева вверху). С таким защитным покрытием они могут успешно противостоять коррозии (слева внизу: микроснимки коррозионных явлений у стали).
В многокамерных электроннолучевых печах народного предприятия по производству специальных сталей во Фрайтале изготавливаются стальные сплавы с прекрасными свойствами (справа вверху). Они намного более устойчивы к коррозии и износу, чем обычные стали. Они выдерживают высочайшие нагрузки при применении в специальной аппаратуре. Достижения современной физики, например лазерный луч, также используются в промышленности. С его помощью в металлах можно выплавлять мельчайшие и очень точные отверстия, что необходимо при производстве промышленных фильтров (внизу: луч лазера выплавляет отверстие в кирпиче).