Виды износа деталей. Методы борьбы с контактной усталостью и абразивным износом
Изнашивание контактных пар деталей происходит практически во всех отраслях промышленности. Самые экстремальные изнашивающие факторы испытывают машины, работающие в горнодобывающей промышленности, металлургии и транспортной отрасли.
Износ деталей может наступить в результате:
• развития усталостных явлений, имеющих термическую, либо контактную природу
• развития эрозионных процессов;
• явления кавитации;
• Изнашивания схватыванием;
• Диспергирования.
Рассмотрим более подробно два распространенных вида износа: контактную усталость и абразивный износ.
При контактной усталости разрушение приповерхностных слоев металла наступает по причине влияния двух факторов: трения качения и высокого давления. Ярким примером детали, испытывающей подобный тип нагрузки, является колесная пара железнодорожного транспорта.
Абразивный износ чаще всего испытывают на себе горнодобывающие механизмы. Твердые частицы горной породы внедряются в металл, удаление которого в последствии происходит вместе с этим абразивом.
Как правило, детали всегда испытывают один ярко выраженный механизм износа, к которому добавляются другие его типы.
Существует много способов увеличения прочности рабочей поверхности деталей:
• наплавка и напыление
• термическая и химико-термическая обработка(ХТО)
Покрытия могут иметь металлургические (наиболее прочные и меньше подвержены отслоению), либо адгезионные связи.
Способы наплавки:
• Газотермический;
• Дуговой сваркой (покрытыми электродами; под слоем флюса; в среде защитных газов; порошковой проволокой при полуавтоматической сварке);
• Мощными сильно локализованными источниками энергии (лазерным или электронным лучем, плазмой). Применяется редко вследствие сложности процесса.
Рассмотрим наплавку штучными электродами и проволокой в среде защитных газов
Иногда требуется наплавка промежуточного буферного слоя. Такой слой может понадобиться, если наплавленная проволока и основной металл имеют различные мехсвойства. Это приводит к риску возникновения внутренних напряжений, которые могу привести к трещинообразованию. Так же буферные слои выполняют с целью восстановления деталей при сильном износе.
Для буферного слоя целесообразно использовать вязкие аустенитные сплавы (спецэлектроды AWG 7000V) системы «железо-хром-магний».
Самый важный вопрос при борьбе с износом – это правильный подбор покрытия. Как известно, не существует универсальных материалов успешно противостоящих различным видам износа. В каждом конкретном случае нужно выявить преобладающий тип изнашивающего воздействия на рабочую поверхность и подобрать наиболее стойкий сплав. Это условие является законом упрочнения детали.
СпецПроволока для полуавтоматической наплавки AWG M6030
Содержит в себе систему легирования хром-марганец и хорошо противостоит изнашиванию по типу контактной усталости.
Для выполнения наплавки понадобится источник питания для механизированной сварки. Режимы устанавливаются в соответствии с технологической картой, специально разработанной под конкретный процесс. Массовый кабель плотно закрепляется на детали или сварочном столе. При механизированной сварке рекомендуется защищать сопло горелки керамическим спреем.
Слой, наплавленный данным материалом, обладает эффектом самоупрочнения (холодной закалки) – это значит, что твердость контактной поверхности повышается при эксплуатации под действием рабочих нагрузок (наклеп). Твердость увеличивается с 250НВ до 350НВ.
Плавку данной проволоки можно производить под слоем флюса.
Пример использования: наплавка рабочей поверхности колесных пар железнодорожных составов
Методы борьбы с абразивным износом
Существует довольно много процессов нанесения защитных покрытий на металлические рабочие поверхности: от практичной дуговой наплавки и различных видов напыления, до пока экзотического лазерного плакирования.
Самый важный вопрос в борьбе с износом – это подбор эффективного состава покрытия с особыми компонентами для придания специальных свойств рабочим поверхностям изделия. В случае интенсивного абразивного износа на первый план выходят твердость наплавленного металла и тип микрокристаллической структуры. На сегодняшний день самыми твердыми элементами покрытия являются сферические карбиды вольфрама. К сожалению, эти компоненты довольно дороги и зачастую их использование экономически не оправдано. На практике наиболее эффективно работают железные сплавы ледебуритной структуры с включениями карбидов хрома и боридов с твердостью покрытия 60…70 HRC.
Для ручной электродуговой наплавки против абразивного износа используют спецэлектрод КAIT 70.
Добавить комментарий Отменить ответ
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Источник
УМЕНЬШЕНИЕ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Авторы: В.Д. Екимова, И.Н. Стародубцев, А.Н. Головачёв
Источник: «МОЛОДАЯ НАУКА XXI ВЕКА»: сборник научных работ всеукраинской студенческой научно-технической конференции с международным участием 2012
В работе выполнен литературный обзор видов износа и путей его выявления. Проанализированы исследования в области влияния качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей, возможности методов финишной обработки и термической обработки в обеспечении эксплуатационных свойств изделия машиностроения. Предложены рекомендации по повышению качества технологических систем на основе выполненного анализа.
Повышение износостойкости деталей машин осуществляется различными технологическими методами, но они бывают слишком продолжительными, энергоемкими, а также затрачивается масса рабочей силы. Применение композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ в сочетании с вибрацией позволяет управлять физико- механическими свойствами контактирующих поверхностей, а также повышать производительность труда, снижать энергозатраты и улучшать качество продукции, делая её более конкурентоспособной на мировом рынке, что является актуальностью работы.
Изнашивание деталей, выполняющих различные функции, происходит неравномерно. Серьезные изменения происходят вследствие изнашивания силовой установки: резко уменьшается мощность двигателя, повышается расход топлива и смазочных материалов, увеличиваются потери на трение в механизмах силовой передачи [1].
Износ условно можно разделить на две основные группы: адгезионный и диффузионный износ. Адгезионный износ происходит в результате действия высоких локальных давлений, сваривания между собой шероховатостей поверхностей, последующей пластической деформации, возникающей при их относительном перемещении, разрушения локальных сцеплений шероховатостей, удаления или переноса металла [2].
Диффузионный износ происходит вследствие того, что при высоких температурах частицы инструментального материала проникают в стружку и обрабатываемую деталь. Это приводит к изменению химического состава и физико-механических свойств в поверхностных слоях инструмента и снижает его износостойкость.
Для обнаружения данных видов износа существуют эффективные методы определения нарушений сплошности в поверхностных слоях деталей (магнитная дефектоскопия); поиск нарушений путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего их анализа (ультразвуковая дефектоскопия) и другие методы [3].
В зависимости от вида износа применяют различные методы упрочнения и восстановления деталей. Изношенные детали восстанавливают различными электролитическими способами. В производстве получили распространение хромирование, ожелезнение, никелирование, меднение и цинкование. Данные методы обладают высокой производительностью, не требуют больших материальных затрат (используются дешевые
электролиты), позволяют бороться с различными видами износа (коррозионно-механическим, механическим и др.)
Термическая обработка металлов и сплавов — процесс тепловой обработки металлических изделий, целью которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении. Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и окончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств [4].
Смазывание предназначено для снижения потерь мощности и сокращения скорости изнашивания соприкасающихся деталей. Помимо этого, устраняется заедание, поверхность деталей защищается от коррозии, повышается компрессия и создается определенная амортизация при ударных нагрузках за счет выдавливания смазочного материала из зазоров между деталями.
PVD-процесс применяют для создания на поверхности деталей, инструментов и оборудования функциональных покрытий — износостойких, коррозионностойких, эрозионностойких, антифрикционных, антизадирных, барьерных и т. д. С помощью PVD-процесса получают покрытия толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения покрытия поверхность не требует дополнительной обработки.
Для повышения прочностных свойств детали используют легирование. К наиболее часто применяемым легирующим элементам относятся марганец, кремний, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др. Основной эффект от легирования достигается в том случае, когда происходит изменение типа кристаллической решетки железа.
Лазерная наплавка порошковых материалов обеспечивает получение наплавленного слоя высокой степени однородности и качества без значительного термического влияния на нижележащие слои металла. Применяют порошки хрома, бора, никеля, кремния. После последующей шлифовки толщина наплавки может достигать 0,2-0,4 мм, повышается износостойкость наплавленного слоя в 2-3 раза.
Электронно-лучевая обработка поверхности производится мощным электронным пучком в вакуумной среде и имеет ряд преимуществ по сравнению с лазерной обработкой:
более высокий КПД, высокая мощность и меньшая стоимость. Износ уменьшается в 2-4 раза.
Методы детонационного и плазменного нанесения покрытия – газотермические методы, основанные на полном или частичном нагреве материала покрытия до состояния плавления и распылении его газовой струей. Особенность этих методов упрочнения – возможность наносить тугоплавкие материалы на металлическую подложку без значительного ее нагрева (не более 150 o С) [5].
Упрочнение поверхностных слоев методом диффузионного молекулярного армирования относится к нанотехнологическим методам.
Наблюдаемый эффект повышения прочности поверхностного слоя объясняется «армированием» материала поверхностного слоя цепочками атомов радикалов, прочность связей в которых до 5 раз превышает металлическую, а также барьерным действием внедренных радикалов на процесс образования и скольжения дислокаций, что препятствует накоплению дефектов и замедляет развитие усталости и разрушение материала.
Для получения наноструктурных покрытий используются:
катоды с легирующими добавками;
вращение подложки для получения многослойных покрытий с толщиной слоев менее 100 нм;
электрическое смещение подложки для ионной бомбардировки растущей пленки и нагрев подложки до относительно высокой температуры [6].
Износ пагубно влияет на процесс и результат работы машины и приводит к многочисленным поломкам. Изнашивание возникает под воздействием трения, нагрузок, условий работы и окружающей среды. Для каждого вида износа применяются определенные технологические методы борьбы с ним. Также мы можем продлевать службу механизмов путем термической обработки, методом гальванического покрытия, использованием смазочных материалов, применением PVD-процесса, легирования, методами лазерного, электронно-лучевого, плазменного и детонационного упрочнения, а также применяя нанотехнологии.
Некрасов С.С. Обработка материалов резанием: Учебник. / С.С. Некрасов. — М.: Агропромиздат, 1996. – 325 с.
Приборостроение и средства автоматизации контроля. / под ред. С. И. Фрейберга, М.: ВИНИТИ, 1961. – 250 с.
Дефектоскопия металлов / под ред. Д. С. Шрайбера, М.: Машиностроение, 1959 — 185 с.
Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. / И. И. Новиков, М.: Металлургия ,1978. — 420 с.
Елагина О.Ю. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. / О.Ю. Елагина, М: Логос, 2009. — 488 с.
Источник
Способы борьбы с износом
Существует много способов борьбы с износом. Рассмотрим наиболее распространенные в химическом машиностроении.
1. Правильный выбор конструкционных материалов.
Для предотвращения преждевременного механического износа необходимо, чтобы трущиеся поверхности были твердыми и возможно более чисто обработанными.
2. Термическая обработка стальных деталей.
Наиболее часто применяемые способы термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. В последнее время широкое распространение получила поверхностная закалка деталей. Она позволяет добиться высокой твердости, прочности и износоустойчивости поверхностного слоя. Отличие ее от обычной закалки состоит в том, что нагревается до температуры закалки и затем быстро охлаждается только поверхность детали на глубину закаливаемого слоя.
3. Поверхностное упрочнение деталей химико-термическими способами.
Цементация – это процесс науглероживания (насыщения углеродом) поверхностей деталей; содержание углерода в поверхностных слоях возрастает с 0,1…0,25 до 1…1,2 %. Наблюдается повышенная твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя.
Азотирование заключается в насыщении поверхностных слоев азотом, что способствует повышению их твердости, прочности и стойкости против механического и коррозионного износа.
Цианирование – насыщение поверхности детали углеродом и азотом.
Алитирование заключается в насыщении поверхностных слоев детали алюминием, и применяют его для повышения жаропрочности стальных деталей.
Хромирование – насыщение поверхности хромом путем диффузионной металлизации в порошке, содержащем 60 % металлического хрома, 37 % глинозема и 3 % концентрированной HCl.
Силицирование – насыщение поверхностного слоя кремнием; подвергают стальные детали, работающие в условиях высоких температур.
4. Поверхностное упрочнение деталей наклепом.
Для повышения стойкости деталей к механическому износу их поверхности подвергают наклепу, осуществляемому двумя методами – обкаткой или дробеструйной обработкой.
Обкатку применяют для обработки цилиндрических и плоских деталей. Деталь, закрепленная в суппорте токарного станка и приводимая во вращательное движение, обкатывается роликами. Обычно глубина наклепанного слоя не превышает 2 мм.
Дробеструйная обработка пригодна для деталей любой конфигурации. Поверхность обрабатывают в течение 3…5 минут мелкой дробью из отбеленного чугуна, который подают струей воздуха под давлением 0,5…0,6 МПа. Необходимо помнить, что поверхности, подвергнутые наклепу, теряют стойкость к коррозионному разрушению.
5. Повышение износостойкости деталей покрытием из твердых сплавов.
Для увеличения износостойкости деталей их поверхности наплавляют литыми и порошкообразными металлокерамическими твердыми сплавами. Литыми сплавами являются сормайт-1 и сормайт-2. Сормайт – сплав хрома, углерода и железа с незначительным содержанием кремния, марганца и никеля; он изготовляется в виде литых прутков диаметром 3-8 мм или в виде пластин длиной 250 мм.
В качестве порошкообразного сплава используют сталинит – смесь порошков феррохрома и ферромарганца с чугунной стружкой и нефтяным коксом.
6. Конструктивные меры борьбы с износом:
а) предотвращение образования застойных зон;
б) предотвращение эрозионного износа;
в) предотвращение износа поверхностей контакта (установкой между деталями изолятора из неметаллического материала);
г) повышение качества обработки поверхностей;
д) повышение качества смазки и улучшение условий смазки трущихся поверхностей.
7. Защита от коррозии ингибиторами.
Ингибиторы – специальные вещества, которые вводят в агрессивную среду для замедления коррозии.
На нефтеперерабатывающих заводах для защиты холодильного оборудования от хлористого водорода добавляют в среду каустическую или кальцинированную соду, а в верхнюю часть ректификационных колонн для первичной перегонки нефти подают аммиак.
Количество ингибитора должно строго контролироваться, т. к. избыток его может ускорить коррозию. Особенно опасны такие ингибиторы, как тиодигликоль и формальдегид. Очень часто ингибитор, замедляющий коррозию одного металла, может оказаться коррозионноактивным для другого. Так, аммиак, предотвращающий коррозию стальных колонн, вызывает интенсивную коррозию латунных труб в конденсаторах. Поэтому при использовании того или иного ингибитора необходимо помнить о технологической последовательности прохождения средой всех аппаратов, машин и трубопроводов.
8. Электрохимическая защита.
Различают два вида электрохимической защиты. Это катодная и протекторная защита.
Катодную защиту осуществляют подачей постоянного тока от внешнего источника. Отрицательный полюс тока присоединяют к защищаемой конструкции, а положительный – к вспомогательному электроду (аноду), который находится в контакте с агрессивной средой. Катодная защита применяется для подземных трубопроводов и металлоконструкций, оборудования, работающего в морской воде.
При протекторной защите корпус оборудования присоединяют к электроду, имеющему более отрицательный потенциал, чем защищаемая поверхность. В качестве материала для протекторов применяют цинк, магний, магниевые сплавы, сплавы алюминия с цинком и др.
9. Металлизация.
Металлизация может быть осуществлена различными способами: напылением, диффузией, конденсацией из газовой фазы, механическим плакированием и др. Перед металлизацией поверхность детали очищают до металлического блеска в пескоструйных аппаратах.
10. Гальваническое покрытие деталей.
Процесс ведут в электролитах (водных растворах солей, кислот, оснований) или в расплавах солей. Анодом служит наносимый металл, катодом – деталь, на поверхность которой наносят покрытие. Гальваническое покрытие имеет небольшую толщину – обычно не более нескольких десятков микрон.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
