Технологические методы повышения износостойкости материалов и узлов трения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ 

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра прикладной физики

Реферат на тему:

Технологические методы повышения

износостойкости материалов и узлов трения.

Выполнил: студент

Группы ТМС 0901

Казённов А.А.

Проверил: Гусев А.Ф.

Тверь 2010

Содержание:

1. Способы повышения износостойкости прочности деталей………………………3
2. Классификация методов отделочно-упрочняющей обработки

деталей машин………………………………………………………………………………8

3. Технологические методы повышения износостойкости деталей…………….…..9

1. Способы повышения износостойкости прочности деталей.

В основе повышения износостойкости  и усталостной прочности деталей  лежит воздействие на рабочую  поверхность деталей и элементы кристаллической решетки металла путем применения различных видов обработок.

1) Слесарно-механическая обработка. Эта обработка применяется для устранения задиров, рисок, наработки и других дефектов поверхности, а также для получения необходимой чистоты поверхности. Чем выше чистота поверхности, тем выше износостойкость детали. Наиболее часто для этих целей применяют шабрение, шлифование, полирование, хонингование.

Шабрение  — технология высокоточного выравнивания поверхности изделия из металла (реже — из дерева или пластика) специальным режущим инструментом — шабером. Шабрение выполняют после зачистки поверхности от явных сколов и выбоин. Зачастую перед шабрением производят грубое выравнивание (шлифование) механизированным абразивным инструментом. Шабрение выполняется с помощью образцовой поверхности соответствующего качества (поверочная плита, линейка и т. д.). Процедура состоит из многократного повторения ряда действий:

-Получение  яркого рисунка неровностей. Для  этого обрабатываемую поверхность слегка притирают с образцовой поверхностью с контрастной краской. В результате краска сотрётся с горбов и останется во впадинах.

-Режущим  инструментом снимают видимые  выпуклости.

-Качество  результата контролируется по  количеству цветных пятен краски после притирки на определённой площади. Подразумевается, что чем больше пятен, тем меньше их площадь и, соответственно, меньше неровность. Применение: шабрение чаще всего применяется при точном согласовании металлических трущихся поверхностей сложной формы. Например, направляющих типа ласточкин хвост прецизионных металлообрабатывающих станков.

Шлифование  – это чистовая обработка абразивными  инструментами на шлифовальных станках. Шлифовальные инструменты – круги, сегменты, бруски состоят из абразива и связующего вещества. Вращающийся абразивный инструмент снимает тонкий слой металла с поверхности детали при помощи зерен абразива. Разновидность абразивной обработки, которая, в свою очередь, является разновидностью резания. Механическое шлифование используется для обработки твёрдых и хрупких материалов в заданный размер с точностью до микрона. А также для достижения наименьшей шероховатости поверхности изделия допустимых ГОСТом. Области применения: машиностроение, станкостроение, оптика, ювелирное дело.

Полирование – заключительная операция механической обработки, применяемая с целью  устранения мелких неровностей и  шероховатостей поверхности. Полирование  применяется также для подготовки поверхностей детали для последующего нанесения гальванического покрытия. Полирование выполняется на полировальных станках или вручную инструментом из войлока, фетра, кожи, используются также хлопчатобумажные и фетровые круги. Для полирования применяется полировочная паста из окиси хрома (паста ГОИ). Алмазные тонкодисперсные порошки и пасты позволяют получать поверхность зеркального блеска. Операция полирования применяется для обработки любых металлов, в т.ч. алюминия, стали, чугуна, а также драгоценных металлов.

Хонингование  — вид абразивной обработки материалов с применением хонинговальных головок (хонов). В основном применяется для обработки внутренних цилиндрических поверхностей путём совмещения вращательного и возвратно-поступательного движения хона с закреплёнными на нём раздвижными абразивными брусками с обильным орошением обрабатываемой поверхности смазочно-охлаждающей жидкостью. Один из видов чистовых и отделочных обработок резанием. Позволяет получить отверстие с отклонением от цилиндричности до 5 мкм и шероховатостью поверхности Ra=0.63÷0.04.

Область применения: обработка отверстий в различных деталях в том числе в деталях двигателя (отверстий блоков цилиндров, гильз цилиндров, отверстий кривошипной и поршневой головок шатунов, отверстий шестерен) и т. д.

2)Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

Виды термической обработки:

Среди основных видов термической  обработки следует отметить:

-Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

-Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

-Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

-Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

3)Химико-термическая обработка. Это технологический процесс, при котором происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхности металла. Обработка включает в себя азотирование, фосфатирование, анодирование, цианирование, сульфидирование, борирование, цементацию.

Процессы химико-термической обработки  состоят из трех стадий :

-диссоциации, которая заключается  в распаде молекул и образовании  активных атомов

-диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;

-адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего  элемента с поверхностью стального  изделия и образования химических  связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего  элемента в глубь металла.

Азотирование  — это технологический процесс  химико-термической обработки, при  которой поверхность различных  металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе  растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).

Фосфатирование  — насыщение рабочей поверхности фосфатами железа и марганца. Фосфатная пленка образуется в результате взаимодействия металла с дигидроортофосфатами железа и марганца. Она предохраняет детали от окисления при высоких температурах, поэтому необходимо фосфатировать рабочую поверхность цилиндровых втулок дизелей, металлические дымовые трубы котельных и газоперекачивающих аппаратов очень трудно защитить красками или полимерными составами. Перепады температуры до 600o С быстро сжигают защитные покрытия и оставляют трубу беззащитной для коррозии.

Анодирование  применяется для повышения износостойкости  алюминиевых деталей. Сущность процесса заключается в окислении атомарным  кислородом поверхностных слоев  алюминия (в сернокислой ванне  под напряжением до 120 В). Анодированию подвергают ручьи алюминиевых поршней. Для повышения антифрикционности поверхности ручьев покрываются смесью, состоящей из бакелитового лака, сульфата молибдена или графита и спирта или бензина.

Цианирование  заключается в одновременном  насыщении поверхности металла  углеродом и азотом. Применяется оно для повышения поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности. Процесс высокостоимостный, с ядовитыми субстанциями, вызывающий загрязнение окружающей среды. Цианированию в основном подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании.

Сульфидирование представляет собой процесс насыщения  поверхностей стальных и чугунных деталей  серой для повышения их износостойкости  и предупреждения задиров.

Сульфидирование значительно повышает стойкость режущего инструмента. Например, стойкость плашек при нарезании болтов М10, М12 и М16 в среднем возрастает в 3 - 3 5 раза, а стойкость разверток и зенкеров, изготовленных из стали марок У8 и ХВГ, - в 1 5 - 2 раза.

Борирование — это насыщение поверхности деталей из стали и сплавов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов бором для повышения твердости, теплостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2 — 10 раз. Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800 °C окалиностойкостью и теплостойкостью до 900–950 °C. Твердость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000–20 000 МПа.

Цементация — заключается в насыщении поверхности детали при 900...950°С углеродом с последующей закалкой для повышения твердости, износоустойчивости и усталостной прочности. В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя. Широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей и т.д.

Гальваническая  обработка. Пористое хромирование рабочей  поверхности производится в электролитической  ванне. Вначале наносится слой хрома  толщиной 0,15... 0,20 мм. Пористость создается переключением тока на обратный на 15...20 мин. Обратный ток вызывает выпадение частиц хрома с образованием мельчайших пор. Такая пористость улучшает смазку трущихся поверхностей и повышает срок службы деталей. Широко применяются для поверхностной обработки металлического крепежа (винтов, гаек, болтов и др.), деталей аппаратного обеспечения, электроники, молний, частей автомобилей, мотоциклов, светильников, мебельной фурнитуры и др.

4)Механическое  упрочнение — увеличение твердости и прочности металла, вызванное пластической деформацией при температурах ниже температуры рекристаллизации. Известно также как наклеп.

Виброобкатывание(вибровыглаживания) — заключается в обкатывании поверхности детали шариком, который вибрирует параллельно оси вращения детали, совершая 2600 двойных ходов в минуту при амплитуде 2 мм. При использовании в качестве инструмента стального закалённого шара в процессе называется виброобкатыванием, при использовании сферического наконечника из алмаза или другого сферического материала (радиусом R) — выглаживанием, т.к. процесс происходит в условиях трения скольжения. Выравнивание форм, размеров и расположения микро неровностей на поверхности достигается изменением режимов обработки. Микро твёрдость поверхности канавок и наплывов на 10-25 % выше твёрдости исходной поверхности. Остаточное напряжение в 1,3-1,7 раза больше, чем при обкатывании без вибрации на тех же режимах. Виброобкатывание позволило значительно повысить износостойкость поршней.

Дробеструйная обработка заключается  в том, что на механически и  термически обработанную поверхность  с большой скоростью направляют поток стальной или чугунной дроби диаметром 0,5... 1,5 мм. Дробь выбрасывается энергией сжатого воздуха или лопатками колеса. Пример: бабки металлорежущих станков, буксы вагонов.

Гидроструйная обработка заключается  в обработке деталей струей воды под давлением 0,4...0,6 МПа. Высоконапорная струя воды позволяет упрочнять поверхности сложной конфигурации. Пример: холодная резка, удаление бетона, зачистка поверхностей, извлечение литых деталей из форм.

Дорнование (дорнирование) — вид  обработки заготовок без снятия стружки. Сущность дорнования сводится к перемещению в отверстии заготовки с натягом жёсткого инструмента – дорна. Размеры поперечного сечения инструмента больше размеров поперечного сечения отверстия заготовки на величину натяга. Пример: стволы орудий.

Обкатывание — отделочнуя и упрочняющуя обработка наружных поверхностей деталей, а внутренних - раскатыванием. Оба эти метода принципиально не отличаются друг от друга, однако инструменты для обкатывания и раскатывания имеют конструктивные особенности. 0бкатывание обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ra=0,4- 0,05 мкм (8-11-го классов), при этом шероховатость поверхности детали до обкатывания должна быть на два класса ниже, т. е. 6-9-го классов. Шарики для обкатывания (раскатывания) изготовляют из закаленной стали или из твердого сплава. Обкатывание можно также производить роликами. Пример: гильзы пневматических цилиндров.

Электромеханическое упрочнение. Данная обработка выполняется на токарно-винторезном  станке. При вращении детали и перемещении инструмента с пластинкой из твердого сплава в зону контакта подводят электрический ток силой 350... 1300 А и напряжением 2... 6 В. Вместо резца можно использовать сглаживающий ролик. В зоне контакта выделяется значительная тепловая энергия, которая мгновенно нагревает зону контакта до температуры закалки. За счет радиального усилия инструмента поверхность сглаживается, а затем быстро охлаждается за счет отвода теплоты внутрь детали. В итоге получается эффект поверхностной закалки на глубину 0,2...0,3 мм с одновременным поверхностным наклепом, значительно повышающим износоустойчивость (до 10 раз) и усталостную прочность детали (до 6 раз). Электромеханическое упрочнение повышает твердость наплавленного металла в 1 5 - 2 5 раза, усталостную прочность - на 55 - 75 %, шероховатость поверхности с 5-го класса улучшается до 8 - 10-го. Пример: валы тракторов.

Электроискровая обработка — заключается в использовании явления электролитической эрозии и переносе металла инструмента на наращиваемую поверхность детали при прохождении искровых разрядов между ними. Электроискровая обработка металлов применяется для прошивки отверстий различной формы и размеров, извлечения остатков сломанного инструмента и крепежных деталей из изделий, поверхностного упрочнения и наращивания слоя металла при небольших износах. Позволяет произвести как съем металла, так и упрочнение. Применение: обработка шаров для шарикоподшипников, притирка валиков, обработка сложных поверхностей, в том числе гребных винтов, обдирка чугунного литья.

2.Классификация методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин

Все известные методы упрочнения подразделяются на 6 основных классов:

1. упрочнение с образованием пленки на поверхности;
2. с изменением химического состава поверхностного слоя;
3. с изменением структуры поверхностного слоя;
4. с изменением энергетического запаса поверхностного слоя;
5. с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом;
6. с изменением структуры по всему объему материала.

2.2.1 Упрочнение с созданием пленки на поверхности

а) осаждение химической реакции (оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение  упрочняющего смазочного материала, осаждение  из газовой фазы).

б) осаждение из паров (термическое  испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение).

в) электролитическое осаждение (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование).

г) напыление износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов).

2.2.2 Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла

а) диффузионное насыщение (борирование, цианирование, азотирование, нитроцементация  и т.п.)

б) химическое и физико-химическое воздействие (химическая обработка, ионная имплантация, электроискровая обработка и т.д.).

2.2.3 Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя

а) физико-термическая обработка (лазерная закалка, плазменная закалка);

б) электрофизическая обработка (электроконтактная, электроэрозионная, магнитная обработка);

в) механическая (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая);

г) наплавка легированным элементом (газовым  пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов и т.д.).

2.2.4 Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя

а) обработка в магнитном поле (термомагнитная обработка, импульсным магнитным полем, магнитным полем);

б) обработка в электрическом  поле.

2.2.5 Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом

а) обработка резанием (точение, шлифование, сверхскоростное резание);

б) пластическое деформирование (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т.д.);

в) комбинированные методы (анодно-механическая, поверхностное легирование с выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых колебаний, магнитно-абразивная обработка и т.д.).

2.2.6 Упрочнение с изменением структуры всего объема металла

а) термообработка при положительных  температурах (закалка, отпуск, улучшение, закалка ТВЧ, нормализация, термомагнитная обработка);

б) криогенная обработка (закалка с  обработкой холодом, термоциклирование).

3. Технологические методы повышения износостойкости деталей

В задачи технологии входит:

а) получение материалов и заготовки  заданных свойств;

б) изготовление детали требуемой  формы и надлежащей точности;

в) упрочнение рабочих поверхностей деталей;

г) их сборка в агрегаты, испытание  узлов и машин.

3.1 Постановка задачи обеспечения качества поверхностного слоя

Пути технологического обеспечения  качества поверхностного слоя и долговечности деталей машин упрочнением показаны на рис.5.1.

Рис.1.1 Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя обработкой ППД.

Традиционным является подход, устанавливающий  связь режима обработки с эксплутационными свойствами упрочняемой детали (1-5). Недостаток такого подхода в том, что выявленные закономерности не являются справедливыми для других условий. Поэтому при переходе к новому изделию возникает необходимость в повторении трудоемких исследований.

Более обобщенным является обеспечение  долговечности детали в две стадии:

На первой (путь 1-3) устанавливается связь технологических факторов с параметрами состояния поверхностного слоя.

На второй (3-5)- влияние этих параметров на эксплуатационные характеристики деталей.

Однако оба подхода имеют  основной недостаток- эмпирический путь решения задачи, а следственно, связанные с этим: 1- большую трудоемкость экспериментов, 2- ограниченное число исследований параметров состояния поверхностного слоя, 3- невысокую точность ( в пределах точности метода измерения) их определения.

Эмпирический путь не позволяет использовать ЭВМ для моделирования и технологического проектирования механической обработки деталей с оптимизацией параметров состояния их поверхностного слоя, обеспечивающих заданную долговечность.

Более эффективный подход к технологическому обеспечению эксплуатационных показателей деталей, который базируется на внутренних закономерностях процесса формирования поверхностного слоя в очаге деформации (пути 1-2 и 2-3). Раскрытие таких закономерностей позволит глубже определить влияние параметров состояния поверхностного слоя на процесс разрушения детали (3-4) и эксплуатационные показатели (4-5).

Повышение сопротивления детали разрушению при различных видах эксплуатационного  нагружения может быть достигнуто технологическими методами объемного или поверхностного упрочнения. Объемное упрочнение повышает статическую прочность деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Для таких деталей используют высокопрочные стали и сплавы, композиционные материалы. Однако большинство деталей работает в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем. Поэтому износостойкость, зарождение и развитие усталостной трещины, возникновение очагов коррозии зависит от сопротивления поверхностного слоя разрушению. Для деталей, разрушение которых начинается с поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных не нанесении покрытий или изменения состояния (модификации) поверхности.

При нанесении покрытий упрочнение деталей достигается путем осаждения  на нее поверхности материалов, которые  по своим свойствам отличаются от основного металла, но наиболее полно отвечают условиям эксплуатации (износ, коррозия, химическое воздействие и т.п.).

При изменении состояния (модификации) поверхностного слоя происходит физико-химическое изнашивание в металле, повышающее его сопротивление разрушению. Модифицирование  поверхностного слоя может осуществляться деформационным упрочнением (ППД), поверхностной термообработкой, диффузионным нанесением легирующих элементов.

Не существует универсального метода упрочнения деталей, т.к. один и тот  же метод в одних условиях эксплуатации может дать положительный эффект, а в других отрицательный. Поэтому в ряде случаев применяют комбинированное упрочнение деталей, основанное на использовании двух или трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное эксплуатационное качество.

Кроме того, выбор того или иного метода поверхностного упрочнения определяется экономическими соображениями.

Литература

1. Основы трибологии (трение, износ, смазка)/ А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др.; Под общ. ред. А. В. Чичинадзе: Учебник для технических вузов. – 2- изд., переработ. и доп. – М.: Машиностроение, 2001.

2. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. – 4-е изд., переработ. и доп. – М.: «Издательство МСХА», 2001.

3. Трибология: Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ/ Под ред. А. В. Белого, К. Лудемы, Н. К. Мышкина. – М.:Машиностроение; Нью-Йорк: Аллертон Пресс, 1993.