Жаркевич О.М.¹, Жетесова Г.С.¹, Плешакова Е.А.¹, Утепова Г.А²

¹Карагандинский государственный технический университет

²Карагандинский государственный индустриальный университет

Анализ методов упрочнения деталей машин, работающих

в условиях трения

Настоящая публикация осуществлена в рамках Подпроекта "Создание Международного центра материаловедения", финансируемого в рамках Проекта "Коммерциализация технологий", поддерживаемого Всемирным Банком и Правительством Республики Казахстан. Заявления могут не отражать официальной позиции Всемирного банка и Правительства Республики Казахстан

Узлы машин, работающих в условиях трения, широко используют методы поверхностного упрочнения. На износостойкость пары трения влияет комплекс физико-механических характеристик: прочностные, пластические и твердость. На износостойкость особое влияние оказывает поверхностный слой, так как он воспринимает нагрузки и осуществляет контакт с внешней средой.

С другой стороны, поверхностные слои имеют и больше дефектов (поры, микротрещины, включения неординарного кристаллического строения и др.), чем весь объем детали.

В процессе изнашивания контактирующие поверхности должны успешно сопротивляться пластическим деформациям, срезу – сколу микрообъемов материала, внедрению твердых частиц (абразивные частицы из внешней среды, отделившиеся частицы или наросты при адгезии), а также воздействию агрессивных сред и температур.

Основное воздействие воспринимается тонким поверхностным слоем, а остальное сечение материала воспринимает лишь незначительную долю, вследствие инерционности материалов. Поэтому необходимо дифференцировать физико-механические свойства поверхностных слоев и остального сечения, что достигается различными методами поверхностного упрочнения.

Наиболее применяемые методы упрочнения представлены в таблице 1. Важным показателем при выборе метода упрочения является такой показатель, как твердость материала, получаемую при неразрушающем контроле.

Таблица 1 – Методы упрочнения

№	Методы упрочнения	Твердость, МПа
1	Поверхностное пластическое деформирование (ППД)	3000 ….5500
2	Термическая обработка (ТО)	5500 …. 7600
3	Химико-термическая обработка (ХТО)	5700 …. 20000
4	Борирование	20000 …. 22000
5	Фрикционно-диффузионное упрочнение	11000…. 13000
6	Электроискровое упрочнение (ЭЛ)	6500 …. 30000
7	Наплавляемые покрытия	6000 …. 16000
8	Напыляемые покрытия	6500 …. 3000
9	Лазерное упрочнение (ЛУ)	7500 …. 13500
10	Детонационное покрытие	10000 …. 14500
11	Композиционные покрытия	6000 …. 22000

ППД – повышает твердость, снижает пластичность, имеет низкую абразивную износостойкость.

ТО – “рабочим” порогом режима изнашивания является температура в зоне трения, которая составляет 150 - 200⁰ С.

ХТО – увеличивает износостойкость, которая определяется температуростойкостью химических соединений. Так, азотирование выдерживает температуру до 600-650, а борирование до 900⁰С и выше.

Электроискровое упрочнение (ЭЛ) дает упрочненный слой, отличающийся высокой твердостью, обусловленной образованием карбидов, нитридов, карбонитридов и закалочных структур.

Фрикционно-диффузионное упрочнение за счет импульсного нагрева до температуры выше Ас₃ (вследствие трения скольжения), высокоскоростного пластического деформирования и ускоренного охлаждения формирует белый слой, обладающий повышенной твердостью по сравнению с мартенситом обычной закалки и пониженной травимостью в металлографических реактивах.

Наплавленные и напыленные покрытия отличаются высокой износостойкостью, которая зависит от химического состава наносимого покрытия, но требует усложненной технологии, включая подготовительные операции и операции для снятия внутренних напряжений.

Лазерное упрочнение позволяет получать тонкие слои, отличные от структуры ТО, вследствие высоких скоростей нагрева слоев. Недостаток этого способа упрочнения – низкий температурный порог, который составляет температуру около 200⁰ С.

Детонационная обработка позволяет получить более качественное по сравнению с напыленным покрытие, не требует деформационного рассасывания. К недостаткам метода можно отнести сложность реализации технологического процесса и трудность установки детали в технологическом оборудовании.

Композиционные покрытия в настоящее время получили наибольшее применение. Композиционные покрытия обладают металлической матрицей, с высокой энергией межатомных связей, высокопрочные и высокомодульные.

Основные достоинства: возможность получения достаточно толстых слоев (до 4 мм); использование износостойких композиций порошков из твердого сплава, релита, боридов и специальных сплавов; создание покрытий с твердой смазкой, где в качестве наполнителей используются графит, дисульфид молибдена, сульфиды, селениды и др. К недостаткам можно отнести нанесения композиционных покрытий можно отнести сложность технологии нанесения, включая операции специальной подготовки для герметизации зоны упрочнения; применение высоких температур (до 1200⁰); применение дорогостоящих материалов как в качестве матрицы (серебро, никель, кобальт, цирконий), так и в качестве наполнителей (бориды, карбиды, твердый сплав); необходимость включения операций по снятию внутренних напряжений.

Проведя анализ методов упрочнения поверхностей деталей машин, можно сделать, что подбор методов зависит от получения желаемых характеристик покрытия: высокая твердость, пониженная пластичность. Пониженная пластичность приводит к уменьшению опасности схватывания сопряженных поверхностей, с одной стороны, и к повышению чувствительности к местным высоким давлениям, которые могут вызвать местное разрушение поверхности, с другой стороны.

Делая вывод, можно сказать, что получить достаточную пластичность, высокую твердость и прочность можно только в композиционном покрытии, организуя упрочненный слой, состоящий из пластичной основы (матрицы) с твердыми включениями.

Литература:

1. Маслов А.Р. Перспективные высокие технологии: справочник // Инженерный журнал. –2008. – № 1. – С.10-24.

2. Ворошнин Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. - Минск: Беларусь, 1981. – 205 с.

3. Гурьев М. А. Комплексное диффузионное упрочнение тяжелонагруженных деталей машин и инструмента // Ползуновский вестник. – 2010. – №1. – С.114 –121.

4. Хронусов В.С., Сидоренко Л.Д. Влияние электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов // Вестник машиностроения. – 1987. – № 2. – С.53-55.

5. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григорьев А.Н. Детонационные покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1982. - 215 с.

6. Рокалои И.Н., Ужов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. – М.: Машиностроение, 1975. – 296 с.