Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи и методология исследования 13
1.1 Условия работы поверхностных слоев деталей сельскохозяйственной техники и предъявляемые к ним требования 13
1.2. Применение диффузионных покрытий для восстановления и упрочнения деталей машин 29
1.2.1. Классификация диффузионных покрытий и методы их получения 29
1.2.2. Исходные материалы для получения диффузионных покрытий 50
1.2.3. Обзор технологических методов повышения эксплуатационных свойств и несущей способности диффузионных покрытий 54
1.3. Цель и задачи исследования 63
1.4. Общие методологические положения и структура исследования 65
2. Научные основы восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники диффузионными покрытиями 70
2.1. Проектирование диффузионных покрытий при восстановлении и упрочнении стальных деталей 70
2.2. Теоретическое обоснование выбора оптимальной насыщающей среды 73
2.3. Математическая модель борирования сталей в порошке карбида бора(В4С) 81
2.4. Теоретическая модель приращения линейных размеров стальных деталей 88
2.5. Теоретические вопросы получения диффузионных покрытий набиметаллических деталях 93
Выводы 101
3. Теоретическое обоснование возможности применения электромеханической обработки как средства интенсификации диффузионных процессов 102
3.1. Процессы, протекающие при диффузионном насыщении. Факторы, определяющие скорость протекания процесса 102
3.1.1. Диффузия по границам зёрен 104
3.1.2. Вакансии и дислокации, их вклад в диффузионный процесс 108
3.2. Электромеханическая обработка как способ интенсификации диффузионных процессов 112
3.2.1. Интенсификация вакуумного диффузионного хромирования 115
3.2.2. Интенсификация газового борирования 121
Выводы 127
4. Исследование влияния эмо на механические и эксплуатационные свойства диффузионных покрытий ... 129
4.1. Исследование влияния ЭМО на изменение величины диффузионного слоя и линейных размеров деталей, восстановленных и упрочнённых методом диффузионного насыщения 129
4.2. Исследование влияния ЭМУ на изменение линейных размеров деталей восстановленных и упрочнённых методам диффузионного насыщения 140
4.3. Исследование влияния ЭМО на изменение несущей способности диффузионного слоя 144
4.4. Исследование влияния ЭМО и ЭМУ на физико-механические свойства деталей 150
4.4.1. Результаты рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа диффузионных покрытий 150
4.4.2. Исследование микроструктуры диффузионных покрытий 154
4.4.3. Исследование поверхностной твердости 158
4.4.4. Определение механических свойств материалов с диффузионным покрытием 161
4.5. Исследование свойств биметаллических деталей, восстановленных методом многокомпонентного диффузионного цинкования 167
4.5.1. Выбор оптимального состава компонентов в насыщающей смеси 167
4.5.2. Влияние температуры и продолжительности процесса насыщения на изменения параметров диффузионных покрытий 170
4.5.3. Исследование поверхностной твердости 173
4.5.4. Результаты рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа диффузионных покрытий 174
4.5.5. Исследование маслоемкости 177
4.5.6. Исследование износостойкости диффузионных покрытий 178
Выводы 183
5. Создание технологических пюцессов восстановления и упючнения деталей машин методами диффузионной металлизации. производственная проверка и технико-экономическая эффективность 185
5.1. Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения валов картофелеуборочных комбайнов 185
5.1.1. Результаты эксплуатационных испытаний валов, восстановленных и упрочнённых методом диффузионных покрытий 188
5.2. Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения штоков гидроцилиндров диффузионным хромированием 190
5.2.1. Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний штоков гидроцилиндров 196
5.3. Разработка технологического процесса восстановления биметаллических втулок верхней головки шатунов двигателя СМД 14 199
5.4. Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения деталей поршневого топливоподкачивающего насоса типа УТН 202
5.4.1. Результаты стендовых и эксплуатационных испытаний поршневых топливоподкачивающих насосов типа УТН 205
5.5. Экономическая эффективность внедрения технологического процесса восстановления и упрочнения валов картофелеуборочного комбайна ККУ-2 А методами диффузионной металлизации с применением ЭМО 209
Выводы 228
Литература 232
Приложения 256
- Обзор технологических методов повышения эксплуатационных свойств и несущей способности диффузионных покрытий
- Теоретические вопросы получения диффузионных покрытий набиметаллических деталях
- Исследование влияния ЭМУ на изменение линейных размеров деталей восстановленных и упрочнённых методам диффузионного насыщения
- Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения штоков гидроцилиндров диффузионным хромированием
Введение к работе
Надежность сельскохозяйственной техники во многом зависит от износостойкости пар трения. Интенсификация рабочих режимов и тяжелые условия эксплуатации создают предпосылки для быстрого отказа отдельных деталей и соединений сельскохозяйственных машин. Во многих случаях надежность таких машин определяется долговечностью трущихся поверхностей их кинематических пар, износ которых при выбраковке, по данным ГНУ ГОСНИТИ, составляет не более 0,1...0,3 мм.
Важным резервом повышения эффективности использования техники, экономии материалов, топливно-энергетических и трудовых резервов в различных сферах экономики является восстановление изношенных деталей.
Экономическая целесообразность восстановления деталей обусловлена, прежде всего, возможностью повторного и неоднократного использования 65...75 % деталей. Себестоимость восстановления, как правило, не превышает 75 % себестоимости новых, а расход материалов в 15...20 раз ниже, чем при их изготовлении [ 1 ].
Вместе с тем, эксплуатационная надёжность деталей остаётся низкой. Ресурс деталей после восстановления составляет в среднем не более 60...80 % ресурса новых деталей.
Повышение надёжности работы различных машин и устройств достигается путём изготовления деталей из особо прочных металлов и сплавов. При этом зачастую пассивным элементам придается излишний запас прочности, а активный поверхностный слой работает на крайнем пределе прочностных и изностных характеристик.
В настоящее время требования, предъявляемые к свойствам деталей, крайне разнообразны в связи с тем, что условия их эксплуатации стали более жёсткими и сложными. В качестве примера можно указать следующие свойства, которые могут предъявляться к деталям сельскохозяйственных машин: прочность, жёсткость, коррозионная стойкость, износостойкость, жаростойкость и т. д. Вполне естественно, что, используя простые материалы,
8 очень трудно удовлетворить в достаточной степени указанные выше
требования.
Одним из основных направлений повышения качества деталей сельскохозяйственной техники является применение различных покрытий.
Известны способы, позволяющие увеличить поверхностную твердость, коррозионную и износную стойкость, а также механическую прочность деталей. К таким способам относится, в частности, химико-термическая обработка (ХТО), позволяющая получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава.
В настоящее время накоплен большой опыт по применению различных видов и методов ХТО [ 2, 3,4, 7,10, 28,29,30,31, 32,33,34 ]
Однако эти методы, наряду со своими преимуществами, имеют недостатки: малые размеры диффузионного слоя, низкую несущую способность; сложность механической обработки диффузионных слоев по причине высокой твёрдости и малых размеров.
Традиционные способы повышения несущей способности диффузионного слоя, заключающиеся в увеличении его толщины путём усложнения состава смеси и применения более эффективных активаторов, не позволяют в полной мере решить поставленную задачу. К тому же, появляются дополнительные сложности с постоянной корректировкой состава смеси, либо его одноразового использования, что сказывается на себестоимости технологического процесса.
Применение закалки для повышения несущей способности диффузионного слоя не всегда возможно по следующим причинам: закалка длинномерных деталей, каковыми являются валы, штоки, золотники и т.д., сопряжена с деформациями и поводками; оксидная пленка, образующаяся при закалке, и последующая механическая обработка могут свести на нет диффузионный слой.
Наиболее перспективной, с нашей точки зрения, для увеличения толщины диффузионного слоя может стать активация поверхности детали. Нами
проведены исследования и получены результаты по влиянию
электромеханической обработки на изменение линейных размеров и толщину диффузионного слоя на ряде сталей, а также биметаллических деталях. Выявлено, что электромеханическая обработка (ЭМО) может применяться для повышения несущей способности диффузионного слоя как до насыщения, путем непосредственного увеличения диффузионного слоя, так и после, путем подкаливания слоя подложки [ 7 ].
Существующие теоретические разработки в области ХТО не раскрывают сущность процессов восстановления деталей. Нет классификации методов восстановления деталей термодиффузионным насыщением, а также классификации методов повышения несущей способности диффузионного слоя. Поэтому существующая практика восстановления деталей способами термодиффузионного насыщения проводится методом интуитивного подхода.
Малая толщина слоя, сложность механической обработки диффузионных слоев по причине их высокой твёрдости, низкая его несущая способность, а также недостаточное увеличение линейных размеров - основные факторы сдерживающие применение данных методов в производство.
Поэтому очевидно, что разработка теории восстановления и упрочнения деталей методами термодиффузионного насыщения, и ее реализация в производство обеспечивающих существенное повышение долговечности деталей и машин в целом, является актуальной проблемой, решение которой внесет значительный вклад в экономику страны.
Целью работы является разработка теоретических основ восстановления деталей методами термодиффузионного насыщения, раскрывающих механизм управления линейными размерами, структурой, фазовым составом и несущей способностью диффузионного слоя. На основе теории разработать новые способы диффузионного насыщения, позволяющие повысить долговечность деталей.
10 Научная новизна исследования Разработаны научные основы
проектирования износостойких и антифрикционных диффузионных покрытий
для восстановления и упрочнения деталей машин, включающие: теоретическое
обоснование выбора оптимальной насыщающей среды; математическую
модель борирования сталей в порошке карбида бора; теоретическую модель
приращения линейных размеров стальных деталей; обоснование использования
ЭМО как способа интенсификации диффузионных процессов; пути управления
структурой и основными свойствами диффузионных покрытий; новый способ
диффузионного насыщения с применением ЭМО.
Практическая ценность и реализация результатов исследования
Практическая ценность работы состоит в разработке теоретической базы
для создания эффективных технологий нанесения диффузионных покрытий при
восстановлении и упрочнении деталей сельскохозяйственной техники,
работающих в различных условиях изнашивания. На основе результатов
исследований разработаны составы насыщающих смесей, способы
восстановления и упрочнения деталей машин, работающих в условиях
абразивного механохимического изнашивания: термодиффузионное
хромирование в вакууме штоков гидроцилиндров, поршневых' пальцев
двигателя ЗМЗ-53, валов картофелеуборочного комбайна ККУ-2, деталей
топливного насоса низкого давления; борирование в порошке карбида бора
валов картофелеуборочных комбайнов, деталей топливного насоса низкого
давления; многокомпонентное цинкование биметаллических втулок верхней
головки шатуна. Применение диффузионных покрытий при восстановлении и
упрочнении деталей машин позволяет повысить износостойкость в различных
случаях от 1,7 до 3 раз.
Технологические процессы восстановления и упрочнения деталей
методами диффузионного насыщения с применением ЭМО внедрены на
Ногинском РТП Московской области, Пермском объединении грузового
автотранспорта №1, а также на Высокогорской и Мамадышской МТС
Республики Татарстан.
Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Казанская ГСХА», ФГОУ ВПО «Казанский ГЭУ».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на:
- международных, всесоюзных и всероссийских конференциях,
конгрессах и симпозиумах: «Ремдеталь-90» (г. Москва); «Ремдеталь-91» (г.
Пенза);
2-ой международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике (г.Казань,-1998), Российский национальный симпозиум по энергетике (г. Казань, -2001); Международная научно-техническая конференция по теории механизмов и машин (г. Казань,-2003);
научно-техническом совете при Министерстве сельского хозяйства и продовольствия РТ в 1993-1995 гг.;
республиканских конференциях и семинарах: «Передовые технологии в машиностроении» (г. Казань 96); Научно-практическая конференция «Перспективы развития автомобилей и двигателей в РТ» (г. Наб. Челны, КАМАЗ, 1999);
- межвузовских конференциях: Московский институт инженеров
сельскохозяйственного производства им. В.П. Горячкина (1990 ,- 1994);
Казанский сельскохозяйственный институт (1993 - 1996); Казанский
государственный энергетический университет (1998 - 2003); «Ремонт и
восстановление сельскохозяйственной техники» (г. Саранск 1991),
«Организация и технология ремонта сельскохозяйственных машин ВСХИЗО (г.
Москва 1992).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 печатная работа общим объемом 25,7 п.л., в том числе монография, 24 статьи (в том числе 7 статей в центральных изданиях).
Новизна исследований подтверждена авторским свидетельством и двумя положительными решениями на изобретение.
12 На защиту выносятся:
теоретические основы восстановления деталей методами
термодиффузионного насыщения;
- теоретические модели процессов насыщения диффузионных покрытий:
борирования сталей в порошке карбида бора (В4С); хромирования стальных
деталей; комплексное насыщение биметаллических деталей;
технологические способы диффузионного насыщения с применением электромеханической обработки;
результаты экспериментальных исследований структуры и свойств покрытий, полученных разными методами;
пути и методы управления структурой и свойствами диффузионных покрытий на основе рационализации насыщающей среды.
Работа выполнялась в Московском государственном агроинженерном университете им. В.П. Горячкина на каф. «Детали машин» и Казанской государственной сельскохозяйственной академии на каф. «Сопротивление материалов и технология металлов»
Отдельные этапы экспериментальных исследований выполнялись в Московском институте сталей и сплавов. Автор выражает искреннюю признательность коллективам указанных организаций за оказанную помощь в выполнении исследований.
13 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Обзор технологических методов повышения эксплуатационных свойств и несущей способности диффузионных покрытий
Микротвёрдость #50 слоя на стали 45, У10, У12 после хромирования с нагревом ТВЧ равна соответственно 3350, 5780, 74410 МПа [25]. В работе [85] хромирование при нагреве ТВЧ осуществляли с предварительным нанесением на хромируемую поверхность хромосодержащей обмазки. Она состояла из 75% порошкообразного хрома, 25% криолита, играющего роль флюса, и некоторого количества этилсиликата (СгЬЬ і, который служит для связки компонентов. Нагрев вели при частоте тока 350 кГц при 1000-1200 С. За 2 мин при 1100 С толщина слоя на сталях 10 и У10 соответственно составили 0,075 и 0,025 мм. Возможность сокращения времени хромирования от 6-12 ч до 1-2 мин с помощью скоростного электронагрева образцов с обмазкой (25% Сг, 75% криолита ) показана в [ 94, с. 177; 95].
В тех случаях, когда при повышении надёжности деталей работающих в абразивной среде, не требуется увеличения линейных размеров, наиболее эффективен способ диффузионного борирования.
Борирование - насыщение поверхностных слоев металла и сплавов бором-проводят преимущественно с целью повышения их поверхностной твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости. Газовое борирование осуществляют путём разложения газообразных (при температуре процесса) соединений бора: диборана, треххлористого бора, алкилборных соединений, трёхбромистого бора и др. Наибольшее применение для борирования стальных деталей нашли диборан и трёххлористый бор. Борсодержащие газы (ВгНб и ВСЬ) разбавляют газами, не содержащими бора (водородом, аргоном, очищенным азотом, аммиаком). В противном случае на стенках реактора и на насыщаемых деталях откладывается слой элементарного бора, и скорость борирования уменьшается. Наибольшая скорость процесса имеет место при разбавлении диборана и треххлористого бора водородом. Соотношение диборана и водорода должно составлять от 1:25 до 1:225, а треххлористого бора и водорода - от 1:15 до 1:20. При замене водорода азотом или аммиаком скорость процесса снижается, однако уменьшается его взрывоопасность, поэтому такая замена целесообразна. Существенное влияние на результаты газового борирования оказывают скорость подачи газа и его давление в реакторе [99-102]. Давление необходимо поддерживать в пределах 23,4-103 28,6-103 Па. Процесс газового борирования в смеси ВгНб+Нг с заметной скоростью идёт, начиная с 550 С, а в смеси BCI3+H2 с 750 С. Оптимальными считают температуры борирования 800-950 С. После окончания процесса насыщения закалку целесообразно проводить непосредственно с температуры борирования. Существенное влияние на толщину боридного слоя оказывает химический состав стали. Режим борирования назначают исходя из требуемой толщины слоя. При этом следует иметь в виду, что для каждой группы сталей существует определённая максимальная толщина боридного слоя, превышать которую не рекомендуется для нелегированных, низко - и среднелегированных низкоуглеродистых сталей 0,25-0,3 мм, для нелегированных, низко-и среднелегированных среднеуглеродистых сталей 0,2-0,25 мм и для низко-, средне- и высоколегированных сталей 0,05-0,1 мм. Электролизное борирование проводят в расплаве буры. В ряде случаев в буру добавляют «нейтральные» соли (NaCl и др.). Подготовку установки электролизного борирования к работе проводят в следующем порядке. В печь загружают буру (КагВ ЮНгО) примерно до половины высоты тигля, после чего печь разогревают до 500-650 С и выдерживают буру до удаления кристаллизационной влаги. Затем температуру печи поднимают до рабочей, и бура расплавляется. После заполнения тигля бурой до заданного уровня через расплав пропускают постоянный ток (0,05-0,25 А/см2) в течение 10-15 ч. При этом примеси осаждаются на стенках тигля, бура светлеет, что свидетельствует о пригодности её к работе. После такой подготовки в расплав погружают детали, предварительно просушенные над зеркалом ванны. Детали включают в цепь электролиза в качестве катода (0,08-0,25 А/см ). Обычно борирование проводят при 880-980 С в течение 2-5 ч. За это время на сталях получают слой от 10 до 320 мкм. Помимо постоянного тока, для электролиза буры применяются переменный и реверсивный ток [103, 104]. По окончании процесса борирования ток электролиза отключают, детали извлекают из расплава и подвергают непосредственной закалке или охлаждению на воздухе. Недостатками электролизного борирования является накопление в буре вредных примесей (Fe2C 3, Cr2Oj, NiO и др.), удаление которых осуществляется проведением процесса рафинирования, требующего дополнительных затрат электрической энергии. При этом процессе детали из ванны выгружают, плотность тока в цепи защиты доводят до 0,15-0,25 А/см и ведут электролиз 8-20 ч. После окончания рафинирования ток выключают и стенки тигля очищают. Вторым недостатком данного способа борирования является отсутствие способа переработки отходов, полученных в результате очистки тигля. Жидкое борирование можно вести и без применения электролиза. В этом случае борирование ведут: в расплавах «нейтральных» (не содержащих бора) солей с добавкой борсодержащих веществ (В, В4С, и др.); в расплавах боратов с введением борсодержащих восстановителей (В, В4С, ферробора и др.); в расплавах боратов с добавкой химически активных металлов (Са, А1, Ті и др.), металлургических раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, силикокальция, силикомарганца и др.) или специальных лигатур (магнийкальциевой, силикомишметалла, силикостронция и др.). Наиболее перспективны для промышленного использования расплавы на основе боратов щелочных и щелочноземельных металлов. В технологическом отношении процесс жидкого борирования очень прост. Наплавление буры ведут в обычном порядке. Восстановитель (предварительно просушенный) вводят в расплав небольшими порциями, каждый раз тщательно перемешивая его, при температурах не ниже температуры борирования. Детали загружают в расплав в связках или на приспособлениях, предварительно подогрев до 400-450 С над зеркалом ванны. Насыщение проводят при 850-1050 С в течение 2-10 ч. при этом на сталях получают слои от 10 до200мкм. Борирование из обмазок целесообразно применять при необходимости упрочнения крупногабаритных изделий или для местного борирования отдельных участков деталей.
Теоретические вопросы получения диффузионных покрытий набиметаллических деталях
Принципиальная схема проектирования деталей, восстановленных и упрочненных методами термодиффузионной металлизации, представлена на рис. 2.1. Проектные исходные данные охватывают, прежде всего, эксплуатационные, технологические и конструктивные требования к покрытию и детали в целом: условия эксплуатации детали, воспринимаемые нагрузки, механические, физические, химические и другие характеристики материала, определяющие работоспособность детали, геометрические и конструктивные параметры. При проектировании восстанавливаемой детали также необходимо иметь информацию о причинах и механизме ее изнашивания.
Кроме технических требований, не менее важны экономические, социальные и экологические требования к материалу покрытия и технологии его нанесения. Экономические требования учитывают потребность и объем производства, допустимые трудозатраты, размер капиталовложений и другие расходы, связанные с использованием, проектированием, производством и эксплуатацией деталей с диффузионными покрытиями. Социальные факторы определяют условия и степень безопасности труда при нанесении термодиффузионных покрытий и их применения, необходимый уровень квалификации производственного процесса, подготовки кадров и др. К экологическим требованиям относятся: наличие сырьевой базы основных компонентов насыщающей среды, возможность использования отходов, влияние технологий нанесения покрытий на окружающую среду, вопросы ресурсосбережения и др.
Выбор оптимальных состава и структуры диффузионных слоев является важнейшим этапом проектирования диффузионных покрытий, т. е. ставится задача создания «управляемых» покрытий. Основными вопросами данного этапа являются: выбор компонентов покрытия, их количественного соотношения, порядка расположения в диффузионном слое; режим насыщения; совместимость компонентов. При выборе материалов, составляющих диффузионные слои, необходимо учитывать не только их свойства, но и вероятностное изменение этих свойств в процессе насыщения поверхности детали. Процесс диффузионного насыщения является гетерогенным, т. е. происходящим в различных соприкасающихся фазах, отделённых друг от друга поверхностью раздела. Диффузионное насыщение включает в себя три взаимосвязанные основные стадии: 1) реакции в насыщающей среде — на этой стадии массопереноса следует различать два процесса: образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла; 2) реакции на границе фаз - адсорбция (хемосорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами насыщающего элемента и обрабатываемой поверхностью, которые по своему характеру и силе близко к химическому; 3) диффузия - перемещение адсорбированных атомов внутри металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла. Процесс возможен только при условии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуры, обеспечивающей необходимую энергию атомам. Приток активных атомов к поверхности насыщения должен превышать число атомов, отводимых от поверхности вглубь в результате диффузии. В тех случаях, когда процесс протекает многостадийно, его суммарная скорость определяется скоростью наиболее медленной стадии, которая является контролирующей. При протекании процессов образования диффузионных покрытий в большинстве случаев скорость процесса контролируется третьей стадией - диффузией. Все факторы, влияющие на процесс диффузии насыщающих элементов вглубь насыщаемой детали, и будут определять время образования покрытия, его фазовый состав, а также механические, износные и коррозионные свойства детали. Концентрация диффузионного элемента на поверхности зависит от соотношения скоростей подачи диффундирующего элемента к поверхности и отвода его в глубь. Концентрация элемента на поверхности, следовательно, зависит от активности насыщающей среды и скорости диффузии атомов с поверхности в глубь металла. Чем больше активность насыщающей атмосферы и ниже скорость диффузии, тем выше концентрация диффундирующих элементов на поверхности насыщаемой детали. Однако при чрезмерно высокой скорости подачи атомов из насыщающей среды возможно выделение на обрабатываемой детали диффундирующего элемента, что не всегда благоприятно сказывается на механических свойствах детали и дальнейшем процессе насыщения поверхности. Процесс диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, отличающегося от исходного материала по твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости, а также влияющего на механические свойства изделия.
Исследование влияния ЭМУ на изменение линейных размеров деталей восстановленных и упрочнённых методам диффузионного насыщения
Влияние ЭМУ на изменение свойств поверхностного слоя определялось по следующим показателям: микротвердость закалённого подслоя, его толщина, а также толщина карбидного (боридного) слоя. Для определения влияния режима ЭМУ на изменение вышеназванных показателей был реализован ряд экспериментов, результаты представлены на рис 4.7-4.9. из которых видно, что усилие прижатия инструмента до 250 ...280 Н не вызывает существенного изменения линейных размеров хромированных деталей. Вместе с тем, улучшается шероховатость поверхности и увеличивается глубина прокаливаемости.
Для борированных деталей влияние усилия прижатия менее значительно, однако и оно наблюдается при 400...420 Н.
При усилии прижатия менее 50... 100 II по причине плохого контакта между обкатывающим роликом и обкатываемой деталью при силе тока выше 400...450 А происходит искрение. Вследствие этого ухудшается шероховатость поверхности и происходит частичное электроэрозионное разрушение диффузионного слоя. Поэтому оптимальным для ЭМУ хромированных деталей является усилие прижатия 200..250 Н, для борированных - 350...400 Н.
При изучении влияния силы тока на изменение несущей способности, с учетом вышеизложенного, постоянные показатели режима ЭМУ были приняты следующими: для хромированных деталей / =2501-1, V=\Ом/мин, 5=0,2 мм/об; для борированных деталей Я=400 Н, V=\2 м/мин, 5=0,2 мм/об.
Влияние силы тока на изменение толщины подкалённого слоя, а также его микротвёрдость представлено на рис. 4.8 и 4.9, из которых следует, что с повышением силы тока возрастает как микротвёрдость подслоя, так и его толщина. Так, на хромированной стали 45 толщина подкалённого слоя увеличивается с 70 мкм при /=200 А до 100 мкм при 7=700 А. Аналогичное повышение наблюдается и у хромированных сталей 40Х и ХВГ. Толщина подкаленного слоя у стали ХВГ увеличивается с 65 мкм при 200 А до 110 мкм при 700 А. Наряду с повышением толщины подкаленного слоя наблюдается и увеличение его микротвёрдости. Как следует из рис. 4.9, микротвердость стали 45 повышается с 1,8 ГПа при 7=200 А до 4,1 ГПа при 7=700 А. Последнее значение микротвёрдости соответствует твёрдости закаленной стали 45.
Для стали ХВГ микротвёрдость возрастает с 5,6 до 6,6 ГПа при изменении силы тока от 200 до 700 А и находится при переводе в единицы твёрдости на уровне 50...55 HRC. Для борированных сталей вследствие того, что углерод вытеснен из диффузионного слоя в глубь детали и образует на границе с основным металлом науглероженную зону, процесс прокаливания идёт более эффективно. Так, на стали ХВГ толщина подкалённого слоя увеличивается с 170 мкм при /=200 А до 275 мкм при /=650 А. У сталей 45 и 40Х толщина подкаленного слоя увеличивается с 240 мкм при /=200 А до 290 мкм при /=650 А. Микротвёрдость подслоя на борированных сталях 45 и 40Х возрастает с 4,4 до 5,3 ГПа при изменении силы тока от 2 00 до 650 А, аналогичное увеличение микротвёрдости наблюдается и у борированной стали ХВГ. Микротвёрдость подслоя на борированных сталях 4 5 и 40Х возрастает с 4,4 до 5,3 ГПа при изменении силы тока от 200 до 650 А, аналогичное увеличение микротвёрдости наблюдается и у борированной стали ХВГ. Микротвёрдость подслоя последней в результате ЭМУ изменяется с 4,11 ГПа при 200 А до 5,6 ГПа при 650 А. Однако увеличение силы тока выше допустимого приводит к расплавлению поверхностных микронеровностей и прилипанию их к ролику. Происходит повышение шероховатости обрабатываемой поверхности. Для хромированных деталей такое явление наблюдается при силе тока 750 А, для борированных-при 680 А. Таким образом, оптимальным с точки зрения повышения несущей способности слоя является следующий режим ЭМУ: для борированных деталей 1=600...650 A, F=350...400 Н, V=5...10 м/мин, S=0,2 мм/об; для хромированых деталей 1=650... 700 A, F=200...250 Н, V=5...10 м/мин, S=0,2 мм/об. Исследование влияния ЭМО на изменение несущей способности диффузионного слоя. Несущая способность диффузионного слоя определялась по методике, изложенной в 3.9 [7]. Исследованию подвергались стальные образцы четырех видов: борированные, хромированные, прошедшие ЭМО+борирование+ЭМУ, ЭМО+хромирование+ЭМУ. Способ ХТО и режимы ЭМО образцов приведены в табл. 4.3. Результаты исследований представлены на рис. 4.10-4.13. Из рис. 4.10, 4.11 видно, что все кривые имеют характерный перегиб в точке с критической толщиной слоя Лкр. Критическая толщина характеризует несущую способность диффузионного слоя и определяется как минимальная толщина слоя, способная исключить его продавливание от заданной нагрузки. Следовательно, задаваясь нагрузкой, мы можем определить достаточную толщину диффузионного слоя, которая позволила бы исключить продавливание карбидного или боридного покрытия при эксплуатации детали. Для деталей сельскохозяйственных машин роль сосредоточенной нагрузки играют частицы абразива, попавшие в зазор соединения. Так, по данным, приведенным в [14], для разрушения абразивной частицы кварца размером 20 мкм - а кварц является самым твердым из абразивных частиц почвы - необходимо усилие 0,13...0,15 Н. Это усилие соответствует критической толщине слоя 1...2 мкм (см. рис. 4.12). Для разрушения частиц размером 100 мкм (это основной размер абразивных частиц? попадающих в зазор соединений) необходимо усилие 0,65...0,75 Н. Для данного усилия по рис. 4.12, 4.13 находим, что /гкр для сталей, подвергнутых различным видам ХТО с предварительной ЭМО и последующим ЭМУ, в 1,5...3 раза ниже, чем при обычном воздействии ХТО. Следовательно, предварительная ЭМО и последующее ЭМУ позволяют увеличить несущую способность хромированного слоя на сталях в 1,5...3 раза, а на борированных сталях в 2...2,5 раза. Повышение несущей способности диффузионного слоя, как показано ниже, объясняется появлением вследствие ЭМУ подслоя, имеющего твердость закаленной стали. Этот подслой предохраняет твердый поверхностный слой от продавли-вания.
Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения штоков гидроцилиндров диффузионным хромированием
Износостойкость поршневого пальца, восстановленного методом диффузионного хромирования с применением ЭМО, в паре с втулкой, восстановленной методом диффузионного многокомпонентного насыщения в 1,9 2.2 раза выше износостойкости серийной пары.
Полученные результаты можно объяснить несколькими причинами: во-первых, снижением коэффициента трения; во-вторых, присутствием в антифрикционном слое соединений титана, которые повышают поверхностную твердость антифрикционного слоя, тем самым способствуя стабильности вторичных структур на поверхности трения; в-третьих, маслоемкость поверхности трения, полученной вследствие диффузионного восстановления, выше, чем у серийных образцов, что также способствует повышению износостойкости. Выводы 1. Разработанный способ, включающий предварительную активизацию поверхности деталей электромеханической обработкой, позволяет увеличить их линейные размеры при последующем хромировании по сравнению с известным на 15-25% и тем самым расширить область применения вакуумного хромирования при ремонте. 2. Оптимальными режимами ЭМО для активизации поверхностей трения являются: для хромирования - 1=500-600 A, F=500-600H, V= 10— 14 м/мин, S=0,1-0,2 мм/об; для борирования- I=500-600A, F=400-450H, V=10-14 м/мин, S=0,1-0,2 мм/об. 3. Установлены оптимальные режимы электромеханического упрочнения: для борированных деталей - 1=600-650А, F=350-400H, V=5-10 м/мин, S=0,1-0,2 мм/об; для хромированных деталей - I=650-700A, F=200-250H, V=5-10 м/мин, S=0,l-0,2 мм/об. 4. Диффузионное борирование из порошковой смеси состава (% масс.) В4С-60, А12Оз 40 после предварительной ЭМО позволяет получить толщину боридного слоя на стали 45-200 мкм; на стали ХВГ-145 мкм за 6 ч при температуре 950 С. Изменение линейных размеров составляет 20-30 мкм. 5. Рентгеноструктурным анализом установлено, что диффузионный слой на исследуемых сталях после борирования в порошковой смеси (% масс.) В4С-6О, AI2O3-4O с предварительной активизацией поверхности насыщения состоит из борида низшего порядка (Fe2B), а диффузионный слой после хромирования в вакууме с предварительной активизацией-из карбидных фаз Сг2зСб, Сг7Сз, что подтверждает правильность теоретических предпосылок о формировании диффузионного слоя. 6. Экспериментально установлено, что предварительная активизация поверхности насыщения позволяет повысить несущую способность хромированного слоя на сталях: 45-в 1,75, ХВГ-в 3,2 раза; борированного слоя-в 2 и 2,5 раза соответственно. 7. Предел выносливости образцов, изготовленных из стали 45 и ХВГ, после хромирования и электромеханического упрочнения увеличивается на 14 и 12%, а после борирования на 35 и 27% соответственно. 8. Разработана порошковая смесь следующего состава, % масс: цинк Zn-25%, титан Ti-7%, медь Си-17%, олово Sn-5%, оксид алюминия AI2O3-40%, хлористый цинк ZnCb-3%. Эта смесь позволяет восстанавливать биметаллические детали (сталь-бронза). 9. Износостойкость антифрикционного слоя выше износостойкости серийных образцов в 1, 7 -2,1 раза. 10. Маслоемкость восстановленных втулок на 15 % выше маслоемко сти образцов, изготовленных по серийной технологии. Анализ причин, сдерживающих широкое внедрение диффузионных способов восстановления и упрочнения деталей машин в ремонтное производство, показал, что наряду с отсутствием заинтересованности ремонтных предприятий в качественном ремонте и низким уровнем культуры производства существуют и чисто технологические причины. Нет технологий обработки высокотвёрдых покрытий, которые могли бы быть применены в условиях ремонтного производства, не разработаны режимы механической обработки деталей с диффузионными покрытиями. Существующие же технологические процессы механической обработки не могут быть применены для обработки таких деталей, так как размер припуска на механическую обработку соизмерим с толщиной слоя. В свою очередь, механическая или другая окончательная обработка накладывает свои требования к размеру диффузионного слоя: быть достаточным для последующей механической обработки; обладать необходимой несущей способностью. Приведённые в гл.1 данные по расходу запасных частей свидетельствуют о том, что повышенный расход запасных частей по редукторам Н.091.10.00 и Н.09520.000 картофелеуборочного комбайна ККУ-2А связан с низкой износостойкостью их валов. Автором был разработан технологический процесс восстановления и упрочнения валов методами диффузионного насыщения. Полная пооперационная схема разработанного технологического процесса восстановления валов привода картофелеуборочного комбайна ККУ-2А методом диффузионного хромирования в вакууме с применением ЭМО представлена на рис. 5.1. Согласно предложенной схеме, поступившие в капитальный ремонт редукторы Н.091.10.000 проходят наружную очистку с последующей разборкой. Детали очищают от маслянисто-грязевых отложений и дефектуют. Валы с износом менее 80 мкм дополнительно делят на группы с износом до 60, 40, и 20 мкм. Затем валы шлифуются на величину износа для выведения овальности и конусности. Места под подшипники на валу, уплотнение, колесо, а также резьбу подвергают ЭМО на режимах, указанных в гл.4. Подготовленные таким образом валы для уменьшения коробления устанавливаются в контейнер вертикально в специальном кондукторе. Контейнер изготавливают из конструкционной стали толщиной 2-3 мм. Его засыпают порошком феррохрома Х97 ГОСТ 5905-79, измельчённым до размера 0,4-0,6 мм, закрывают металлической крышкой и устанавливают в печь, где создаётся вакуум до 1,33-10" Па и температура 1200 С. Время выдержки при рабочей температуре 4-6 ч, время выхода на рабочий режим 1 ч, время охлаждения печи с контейнером 2 ч. Полное время хромирования 7-9 ч. После охлаждения контейнер распаковывают, отделяют детали от хрома. После хромирования посадочные места под подшипники подвергают электромеханическому выглаживанию и упрочнению. Режимы ЭМУ приведены в табл. 4.3.
После определения величины и характера износа исследуемых валов, а также с учётом данных о возможности диффузионного вакуумного хромирования с использованием ЭМО был составлен прогноз объёмов восстановления при помощи данного способа.
