Технология диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов (стр. 2 )

Характерными областями применения данного типа покрытий являются:

- режущий инструмент различного назначения (сверла, метчики, фрезы);

- слесарный инструмент (ножовочные полотна, напильники, надфили);

- формообразующий инструмент (пресс-формы, инструмент и оснастка для глубокой холодной вытяжки металлов);

- производство пластмасс и резинотехнических изделий (валы и шестерни машин и механизмов, детали текстильного машиностроения);

- автомобилестроение (цилиндры двигателей внутреннего сгорания, компрессионные кольца);

- нефтедобывающая промышленность (коронки бурового инструмента, цилиндры штанговых насосов, плунжеры манжетных насосов и т. д.);

- циркулярные и ленточные пилы для деревообработки;

- медицинский инструмент (зубные боры, фрезы для операций на черепе, инструмент для микрохирургии и офтальмологии);

- товары бытового назначения (ножи для мясорубок, лезвия бритв, швейные иглы). [<http://www. icsti. ru/rbd/rus/tech/cat6.html>]

В качестве примера на рис. 1 показаны некоторые представители ассортимента инструмента, упрочненного электрохимическим (а) и плазменным (б) методом.

Рис. 1

а) http://www. icsti. ru/rbd/rus/tech/cat6.html

б) http://*****@***com/what_is. htm

В зависимости от условий, в которых работают детали или инструмент с адгезионным покрытием, степень упрочнения может изменяться от 1,5 до 3 и даже до 5 раз, что создаёт существенную экономию, особенно при нанесении покрытий на неперетачиваемый инструмент и на детали механизмов, не подлежащих ремонту.

Вместе с тем, неспособность покрытий работать в условиях высоких механических, ударных и термических нагрузок существенно снижает область применимости указанных методик. К тому же эта область применения существенно сужается необходимостью использования стационарного оборудования для нанесения покрытий, что позволяет осуществлять упрочнение только в заводских условиях. В частности, для электрохимических покрытий требуются специальные экологически вредные гальванические ванны; для ионно-плазменных методов требуются вакуумные или специальные камеры, приспособленные для нанесения покрытий в вакууме или инертной среде. Для примера, на рис. 2 представлена камера для нанесения покрытий методом thermal spray coatings, осуществляемого фирмой CTS (Цинциннати, США).

Рис. 2

http://www. /ctsinfo. htm

В связи с указанными особенностями адгезионных покрытий, для упрочнения поверхностей деталей машин и механизмов, подверженных в процессе работы нагруженному трению и/или большим колебаниям температуры, применяются технологии диффузионного упрочнения.

К данным технологиям относятся методы лазерного упрочнения, технологии насыщения поверхностного слоя углеродом (цементирование), азотом (азотирование), одновременно азотом и углеродом (цианирование) или различными металлами типа хрома, алюминия, вольфрама и т. д., а также методы газоплазменного и электроискрового упрочнения.

В числе перечисленных методов, лазерное упрочнение при высокой технологичности, высокой скорости и экологической безопасности обработки поверхности детали даёт сравнительно невысокий эффект, поскольку не изменяет химическую структуру поверхности, но только производит локальную её закалку и несколько улучшает её морфологическую структуру.

В свою очередь, насыщение поверхностного слоя диффузионными методами требует значительного времени (10–20 часов), нагрева детали до значительных температур (800-1200 оС), наличия специальных печей или ванн. Это требует значительных затрат энергоресурсов, делает процесс трудозатратным, экологически вредным и может производиться только в специальных цехах. «Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твёрдость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей его твёрдости. Преимущество азотированного слоя – в его более высокой износоустойчивости, но азотирование детали значительно дороже, так как процесс требует более длительного времени и для азотирования применяются дорогостоящие легированные стали» [, Металловедение, с. 219-220]. В свою очередь, «существенным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому процессы цианирования производятся в специально выделенных помещениях» [, Металловедение, с. 222]. При диффузионном внедрении металлов в поверхностный слой «диффузия хрома, алюминия и других металлов идёт значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что азот и углерод образуют с железом растворы внедрения, а металлы - растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки и сотни раз более тонкими, чем при цементации. Столь малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионной металлизации в промышленности, так как процесс является дорогостоящим и проводится при высоких температурах (1000-1200 оС)» [, Металловедение, с. 223].

Кроме того, при указанных методах диффузионного насыщения поверхностного слоя

-  существенно ограничена возможность оптимального подбора характеристик материала трущихся поверхностей;

-  насыщение поверхностного слоя осуществляется для всей детали в целом, что изменяет характеристики материала как в зоне контакта поверхностей, так и в тех частях детали, в которой подобные изменения вредны и могут приводить к выходу детали из строя. Чтобы избежать этого, отдельные части детали покрываются специальными обмазками, но это малоэффективно;

-  длительный нагрев может вызвать более или менее значительный рост зерна. Последующая обработка должна исправить этот дефект структуры;

-  эти нагревы вызывают дополнительное коробление деталей и удорожают процесс термообработки.

Тем не менее, в отсутствии реальной альтернативы описанные способы наиболее распространены для упрочнения поверхностей трения коленчатых валов и ряда других тяжело нагруженных узлов и деталей машин и механизмов.

Некоторым развитием диффузионных методов является технология, разработанная в МВТУ им. Баумана. По данной технологии «получение покрытий основано на сочетании предварительной механической обработки поверхности детали (деформирующее резание с формированием узких глубоких канавок шириной 5-100 мкм), с последующей традиционной химико-термической обработкой (азотирование, нитроцементация, борирование и др.), что позволяет получать композиционную структуру с вертикальным расположением упрочняющих слоев (см. рис. 3). Канавки либо заращиваются в процессе диффузионного насыщения, либо заполняются твердыми или жидкими смазками [http://mt2.bmstu. ru/defrez. php]. Однако указанная технология, при некотором увеличении твёрдости поверхности, существенно ухудшает её чистоту, создаёт дополнительные узлы напряжения в поверхностном слое, требует финишной механической обработки поверхности в дополнение к процессу упрочнения, а главное, не решает основных проблем, присущих вышеперечисленным диффузионным методам.

Рис. 3

http://mt2.bmstu. ru/defrez. php

К диффузионным покрытиям иногда относят упрочнение методом газоплазменного нанесения покрытий, разрабатываемое в частности на унитарном предприятии "МЕТОЛИТ" (Минск) и в компании Flame Spray coating Co. Inc. (США). Общий вид процесса нанесения данного типа износостойких покрытий представлен на рис. 4.

а б

Рис. 4

а) http://www. /otnp/technol/tgnp/tgnp. shtml

б) http://www. /generalcoating. html

Основными недостатками данной технологии являются:

-  неравномерный и существенный нагрев подложки, обусловливающий коробление детали и изменение структуры сердцевины детали;

-  существенный расход легирующих материалов, обусловленный, с одной стороны, значительным рассеиванием в процессе нанесения покрытия, а с другой стороны – необходимостью наращивания значительной толщины покрытия для того, чтобы оно было способно выдерживать нагрузки без сколов и растрескивания;

-  значительные энергозатраты;

-  дороговизна напыляемого дисперсного материала;

-  неоднородность покрытия и большое число включений, ухудшающих износостойкость покрытия и его сцепление с основой.

В то же время данные технологии позволяют в широких пределах подбирать пары трения для достижения максимальной износостойкости контактирующих поверхностей деталей узлов и механизмов, а также избирательно наносить покрытия на защищаемые поверхности.

Однако вышеуказанные недостатки значительно ограничивают широкое применение этих методов в производстве.

Кроме перечисленных методов, к диффузионным покрытиям относится и технология электроискровой обработки поверхности, суть которой заключается в создании множественных слабых искровых разрядов между электродом и упрочняемой поверхностью. На рис. 5 показан процесс электроискровой обработки деталей в компании Swain Technology, Inc. (New York). Эта технология, так же как и газоплазменная, позволяет в широком диапазоне подбирать характеристики пар трения, но глубина упрочнённого слоя очень незначительна (менее 0,1 мм) и износостойкость поверхности трения быстро убывает с износом, что не способствует достижению значительного эффекта.

Рис. 5

http:///index. html

Как видно из представленного обзора, основной проблемой повышения износостойкости покрытий является необходимость одновременно удовлетворить нескольким базовым условиям:

-  технология обязана обеспечивать широкий диапазон подбора параметров упрочнённого слоя;