Технология диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов (стр. 1 )

Инновационный проект

Технология диффузионного упрочнения

нагруженных деталей

узлов и механизмов

Руководитель проекта:

руководитель частной

Специализированной лаборатории

фундаментальных исследований

СЕЛФ

2. Аннотация проекта

В машинах и механизмах существует общеизвестная проблема неравномерного износа деталей, из-за которого весь механизм выходит из строя значительно раньше, чем наступает его общий износ. Эту проблему пытаются решать частыми капитальными ремонтами с заменой изношенных частей, а также выполняя особо нагруженные детали из более качественных материалов, что их удорожает. Другое направление – поверхностное упрочнение особо нагруженных деталей, которое в принципе способно продлить срок службы детали и позволить использование более дешевых основных материалов.

Практика применения существующих вариантов упрочнения указывает, что теоретически наиболее соответствует эксплуатационным нуждам метод дискретного диффузионного покрытия, но существующими на сегодня методами он технологически трудно осуществим с должным качеством покрытия и является скорее перспективным полем приложения инженерных решений, чем производственной технологией.

На основе нашего оригинального понимания электрофизических процессов и собственных технических решений мы смогли сделать этот метод технологичным. Мы разработали значительно более эффективный, простой в эксплуатации и дешевый способ нанесения износостойких покрытий на особо нагруженные детали. Создана компактная переносная установка; специальное оборудование не требуется. Экологическая чистота и безопасность метода делает ненужными специальные камеры, а чистота получаемой поверхности почти не требует финишной шлифовки деталей. Коэффициент упрочнения в 2-3 раза выше, чем у существующих способов упрочнения (ремонтные обработанные детали служат вдвое дольше новых; новые можно изготавливать из более дешевых сталей). Упрочняющий материал глубоко и прочно внедряется в обрабатываемую деталь, не дает нагара, сколов и шелушения; покрытие термо-, баро - и ударопрочно. Покрытие наносится избирательно на поверхности детали, нуждающиеся в упрочнении, не затрагивая поверхности, которым упрочнение нежелательно. Метод обеспечивает широкую вариантность покрытий, от чистого графита до легированных сплавов и самых различных комбинаций материалов и сплавов, оптимальных для конкретного режима эксплуатации. Обработке поддается даже легированный чугун, перед которым бессильны все существующие способы упрочнения.

Эта эффективность и многоплановость делает область применения технологии необозримо широкой: металлургия, машиностроение, транспорт, геологоразведочная и горнодобывающая промышленность и т. д., причем новая технология упрочнения обещает вытеснить старые с их громоздким оборудованием, малопроизводительными техпроцессами, трудоемкостью и проблемами экологии и безопасности труда. Следует также отметить, что она несравнимо более производительна и экономична и что себестоимость покрытия может быть существенно снижена по сравнению с существующими методами.

Технология применима для обработки новых и ремонтных поверхностей; возможно повторное нанесение покрытия при следующем ремонте, что значительно увеличивает срок службы массивных и дорогостоящих деталей. При соответствующей доработке данная методика позволяет производить наращивание изношенной поверхности до 0,1 мм без ухудшения износостойкости и прочностных характеристик поверхности, что особенно важно ввиду изношенности парка станков и транспорта.

Возможна разработка установок-модификаций, приспособленных под нужды конкретных потребителей и техпроцессов, а также автоматизация процесса при его применении в серийном производстве. Идет разработка и создание установки следующего поколения, которая, предположительно, еще повысит технологичность и эффективность метода.

Это второе поколение установки данного типа, созданной нами. Опыт, приобретенный с предыдущей модификацией, показал, что спрос на новую технологию чрезвычайно велик. Производственники встречают ее появление с большим энтузиазмом. Однако мы находимся на Украине, где общая обстановка жестко препятствует развитию, и внедрение первой установки утонуло в неделовых аспектах.

Мы провели предварительное маркетинговое исследование и пришли к выводу, что предлагаемая технология вне конкуренции на мировом рынке по всем показателям – и технологическим, и экономическим. Это делает рациональным производство установок небольшими сериями различных модификаций для нужд отдельных отраслей производства, но продукт допускает разные варианты коммерциализации и это только один из них (на наш взгляд, предпочтительный).

Цель предлагаемого проекта:

– опробовать новый опытный образец в промышленных условиях;

– отработать варианты оптимальных пар трения для разных материалов и свойства покрытий из различных материалов при их нанесении данным методом и в разных режимах эксплуатации, т. е. максимально широкую применимость технологии;

– выйти на предприятия разного профиля с разными проблемами износа и отработать снятие их проблем.

3. Информация о заявителе

Автор разработки: Сергей Борисович Каравашкин, руководитель частной Специализированной лаборатории фундаментальных исследований СЕЛФ.

Адрес: проспект Гагарина, дом 38, кв. 187, Харьков – 61140, Украина

Телефон: [phone]

Е-почта: *****@***ru , *****@***ru

/SELFlab/index_rus. html

Автор по образованию инженер-электрофизик. Имеет большой инженерный и метрологический опыт; организовывал и отлаживал первый в СССР производственный участок по нанесению ионно-плазменных упрочняющих покрытий на установках типа «Булат» (Харьковский инструментальный завод и Харьковский физико-технический институт); далее провел ту же работу на заводе им. Малышева. Несколько лет занимался отладкой сложного и нестандартного оборудования и производственных участков в различных отраслях промышленности, «вытаскивая» загубленные проекты и «безнадежное» оборудование. Работал в Проектном технологическом и экспериментальном институте проблем машиностроения, в лаборатории ионно-плазменных покрытий, в рамках которого организовывал участки в Ленинграде (завод «Русский дизель») и Горьком (завод «Двигатель революции»).

В 1989 году образовал собственную частную лабораторию, которая ведет исследования в различных областях физики, в том числе экспериментальной, электрофизики, а также обладает довольно большим портфелем инженерных решений, из которых два можно увидеть на сайте. Подробнее об авторе можно прочесть здесь: http://selftrans. narod. ru/SELFlab/cv/CVrus. html .

Работы финансируются самостоятельно и публикуются в электронном журнале лаборатории «Труды СЕЛФ» ( http://selftrans. narod. ru/cover/coverrus. html ), седьмой том которого начат в этом году. С отчетами о проведенных исследованиях, а также с публикациями в международных журналах можно ознакомиться по адресу: http://selftrans. narod. ru/SELFlab/publications/publicationsrus. html .

Лаборатория велика по результатам, но очень мала фактически (два человека, два компьютера, несколько приборов), и в данном проекте автор выступает как физическое лицо.

4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными

Как общеизвестно, работоспособность существующих механических узлов и механизмов определяется предельным износом трущихся деталей в этих узлах и механизмах. При этом относительные размеры износа, по отношению потери массы деталей технических средств к её первоначальной массе, весьма малы, но эта малая величина приводит к выходу из строя механизма или машины в целом. Этим определяется и совокупный экономический эффект, связанный с упрочнением трущихся поверхностей.

Данное упрочнение может осуществляться двумя способами: улучшением механических свойств материала деталей в целом или упрочнением непосредственно тех поверхностей, которые подвержены износу. Первый способ при всех его преимуществах, связанных с удлинением срока службы деталей, обладает рядом существенных недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие.

1)  Как правило, детали узлов и механизмов выполняют одновременно несколько функций и должны соответствовать нескольким, порою противоположным требованиям. Так, например, валы двигателей должны одновременно иметь повышенную износостойкость и отсутствие задиров в подшипниках и способность выдерживать ударные нагрузки на кривошипы. Это требует различных свойств материала, которые практически невозможно совместить путём выбора одной марки чугуна или стали.

2)  Упрочнение трущихся поверхностей требует применения специальных дорогостоящих марок чугуна и стали, значительно удорожающих стоимость детали, а значит, и механизма в целом.

В связи с этим в настоящее время считается наиболее перспективным локальное упрочнение отдельных поверхностей узлов, непосредственно подверженных износу. Это позволяет создать оптимальные условия в области соприкосновения трущихся деталей при сохранении требуемых характеристик остальных частей узлов и деталей.

Проблема усложняется существенно различными условиями трения, зависящего от многих параметров, и в частности, от давления на поверхности, наличия ударных нагрузок, температурного режима, в котором работает узел или деталь, наличия смазки, а также совместимости материалов трущихся поверхностей.

В зависимости от указанных особенностей, в настоящее время разработан достаточно обширный диапазон методик, который может быть подразделён на два основных направления:

-  создание износостойких покрытий и плёнок;

-  упрочнение самих трущихся поверхностей.

К первому направлению могут быть отнесены методы электролитического, гальванического, плазменного нанесения износостойких покрытий на поверхности деталей. По характеру связи покрытия с поверхностью упрочняемой детали данные покрытия называют адгезионными. Толщина этих покрытий как правило лежит в пределах от нескольких мкм до долей миллиметра. Они хорошо показывают себя в условиях слабонагруженного трения без ударных нагрузок и в отсутствии локального интенсивного нагрева деталей. При наличии ударных нагрузок, как и при наличии температурных перепадов, происходит растрескивание и отслаивание данных покрытий. При этом частицы материала покрытия интенсифицируют износ, являясь дополнительным абразивом в области контакта трущихся поверхностей.