Технология диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов (стр. 3 )

-  для обеспечения работоспособности упрочнения при ударных и температурных нагрузках упрочнённый слой должен внедряться в поверхности трения и не допускать сколов и растрескивания;

-  исходя из глубины упрочнения, признанной в настоящее время оптимальной и достаточной для обеспечения длительной работоспособности узлов и механизмов, проникновение внедряемого материала должно достигать глубины 0,6 – 0,8 мм;

-  необходимо, чтобы процесс упрочнения не был связан со значительным нагревом детали, приводящим к ухудшению свойств материала детали в целом, а также к короблению детали;

-  технология должна быть экологически чистой, энергосберегающей и простой в реализации.

Ни одна из выше представленных технологий не удовлетворяет всему комплексу перечисленных условий.

Вышеуказанным требованиям полностью удовлетворяет предлагаемая технология дискретного диффузионного упрочнения тяжело нагруженных деталей и узлов механизмов и машин, заключающаяся в имплантации в поверхностный слой детали легирующего материала с заданными физическими свойствами. При этом между материалом подложки и имплантируемым материалом образуется диффузионный пограничный слой, как показано на рис. 6.

Рис. 6

Этот метод был разработан порядка 30 лет назад специалистами Киевского политехнического института. В его основе лежит идея, что если диффузионным способом нанести покрытие не сплошным слоем, как в вышеописанных примерах, а вбить его точечно, чтобы точки покрывали не всю упрочняемую поверхность, а примерно 70–95 % и покрытие как бы имплантировалось в подложку гнездами, то, как оказалось, такое покрытие работает на трение лучше сплошного из-за того, что материал покрытия, истираемый в процессе эксплуатации, находит себе место в промежутках между выступами и не разрушает остаток покрытия, работая как абразив, а напротив, упрочняет его, и покрытие не ухудшает своих свойств. Этот метод оказался нетехнологичным из-за глубоких каверн, образующихся в процессе имплантации легирующего материала в подложку, значительного выброса материала имплантации с существенным ухудшением чистоты обрабатываемой поверхности и интенсивного нагара, приводящего к окислению легирующих добавок, что значительно ухудшало качество упрочняющего слоя. В результате для последующего восстановления чистоты поверхности приходилось снимать до половины имплантированного слоя. Тем не менее, даже при указанных недостатках этот тип упрочнения обеспечивает двукратное упрочнение поверхности.

Устранить указанные недостатки метода не удавалось. Как следствие, они тормозили широкое внедрение технологии в производство. Тем не менее, за этим методом потенциально признавалось будущее.

5. Сущность предлагаемой разработки

В 2003 году производственно-исследовательская компания «Тави» (Харьков) обратилась к нам с просьбой создать для нее установку для дискретного диффузионного упрочнения по технической документации Киевского политехнического института. Документация действительно содержала недочеты, делающие принципиально невозможной правильную работу установки и естественным крайне низкое качество покрытия. Нами была произведена принципиальная доработка технологии на уровне физики процессов упрочнения и на базе этого была разработана, изготовлена и испытана совместно с фирмой «Тави» опытная установка, существенно отличающаяся от прототипа. В результате усовершенствования было получено дискретное покрытие с глубиной имплантации 0,6–0,8 мм (вместо 0,4–0,6 мм у прототипа), исключены из процесса условия образования нагара, интенсивного выплеска материала, а также условия образования каверн. Как показали испытания, для доведения упрочнённой поверхности до 10-12 класса чистоты теперь достаточно было производить финишную шлифовку на глубину не более 0,1 мм и во многих случаях, как например при упрочнении валков прокатных станов, качество поверхности без окончательной шлифовки удовлетворяло требованиям качества поверхности проката даже при упрочнении валков чистовых клетей, в то время как при упрочнении по технологии-аналогу качество поверхности не удовлетворяло даже требованиям, предъявляемым к черновым клетям стана. Таким образом, по сравнению с прототипом было достигнуто преимущество в несколько раз и по глубине слоя, и по его равномерности, и по качеству поверхности, и по надежности работы установки.

Важной особенностью технологии является то, что одновременно с имплантацией осуществляется наклёп материала подложки и имплантируемого материала с эффективной локальной закалкой, что резко повышает твёрдость поверхности и обеспечивает мелкозернистую структуру упрочнённого слоя. Указанные факторы играют существенную роль в обеспечении износостойкости упрочняемой поверхности детали. В связи с вышеуказанной особенностью, даже в случае имплантации материала самой детали достигается эффект упрочнения порядка 1,3 - 1,5 раз, т. е. эффект, который считается нормальным для некоторых других типов упрочнения. Внедрение же специально подобранных легирующих материалов резко повышает эффект, который при правильном подборе достигает 4 -5 раз.

Другой важной особенностью данной технологии является избирательный характер имплантации легирующего материала: производится упрочнение только тех поверхностей, которые подвержены износу. Структура и физико-химические свойства остальной детали, как и её сердцевины, остаются неизменными, температура детали в целом в процессе обработки повышается незначительно (не более 20-30 оС) и может регулироваться без ухудшения эксплуатационных характеристик упрочнения.

Дискретность имплантации легирующего материала может эффективно регулироваться и, как показала практика, имеет оптимум при плотности расположения упрочняемых зон в пределах 70-80 % обрабатываемой поверхности. Типичный вид поверхности после упрочнения имеет вид, представленный на рис. 7.

Рис. 7

Данной технологией могут упрочняться как наружные, так и внутренние поверхности, независимо от габаритности деталей и их конфигурации. Для обеспечения высокого класса чистоты поверхности может производиться финишная шлифовка без ухудшения характеристик износостойкости. Однако при получаемой чистоте поверхности шлифовка во многих случаях не обязательна.

На этапе конструкторской разработки внедрение данного упрочнения позволит закладывать в проект более дешевые марки материалов.

Ещё одной важной особенностью упрочнения по описываемой технологии является отсутствие специальных ванн, печей, камер. Упрочнение может осуществляться непосредственно в ремонтных цехах и требует переносной установки для упрочнения и стандартных токарных, фрезерных станков в зависимости от конфигурации детали и упрочняемой поверхности (для закрепления детали). При этом упрочнение может быть нанесено повторно при следующих капитальных ремонтах, что особенно важно в условиях ремонта деталей и узлов.

Предлагаемая технология полностью экологически безопасна.

Скорость обработки поверхности достаточно высока. Например, упрочнение коренных и шатунных шеек коленчатого вала автомобиля типа КАМАЗ осуществляется за 30-40 минут с учетом технологического времени. Энергозатраты на обработку вала составляют порядка 1,5-2 кВт. час в зависимости от выбранного режима упрочнения.

Представляемая технология легко автоматизируется. При этом резко сокращается и технологическое время, и время упрочнения. Последнее, в частности, становится возможным благодаря одновременной параллельной обработке нескольких поверхностей упрочняемой детали.

Рис. 8

Рис. 9

Диапазон применимости технологии включает в себя упрочнение коленчатых валов самого разного типа, начиная от легкового автомобиля и вплоть до мощных судовых дизелей, дизелей газоперекачивающих станций, дизель-генераторов и т. д. На рис. 8 приведен акт внедрения технологии для упрочнения коленчатых валов на Харьковском авторемонтном заводе, где одновременно с испытанием в производственных условиях упрочнялись коленчатые валы автомобилей КАМАЗ для исполнения миротворческой миссии в тяжёлых условиях пустыни Ирака, а также валов двигателей лесовозов, на которые до этого ремонтные коленчатые валы вообще не устанавливались из-за особо тяжёлых условий работы двигателя.

Упрочнению могут также подвергаться и внутренние поверхности гильз цилиндров. Важно, что данная технология применима для упрочнения деталей при втором и последующих капитальных ремонтах, когда повторное цементирование уже не может быть осуществлено, а характеристики упрочнения шеек вала значительно ухудшены износом рабочей зоны.

Особенно ярко технология проявила себя в сталелитейном производстве, где разливка металла идет непрерывно, а режим работы приводит к необходимости слишком частой замены деталей. Например, через валки прокатных станов ручей еще красного металла с температурой 800–1000 градусов проходит со скоростью около 80 км/ч; в серии валков, постепенно формующих этот ручей в профиль заданного сечения, неупрочненные валки начальных ступеней формования (клетей) выдерживают не более суток работы. Затем ручей перенаправляют и валки меняют, причем из каскада в полтора десятка клетей валки начальных клетей требуют чуть ли не ежесуточной замены, – а это трудоемкая операция. Отработанные валки не подлежат ремонту и уходят в переплавку; замена одного комплекта обходится в сотни тысяч рублей. На основе сравнительных испытаний, проведенных на комбинате «Криворожсталь», установлено, что предлагаемое упрочнение исключительно эффективно при упрочнении тяжело нагруженных валков первых клетей прокатных станов, где проведенные предварительные испытания показали высокую эффективность данного упрочнения по сравнению с существующими. На рис. 9 приведен акт сравнительных испытаний валков, упрочненных по предлагаемой технологии. Аналогично этому, высокий эффект следует ожидать при упрочнении по данной технологии формующих калибров в трубопрокатном производстве.