автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин нанесением комбинированных покрытий

V? / ( ЧУ и»

.л 1

На правах рукописи

Лемешко Владимир Иванович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НАНЕСЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.08. "Технология машиностроения"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Харченков В. С.

Брянск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................5

1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ ТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ И МЯГКИХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПЛЕНОК С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН....................................................................10

1.1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЫСТРОИЗНАШИВАЮЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ..............................................................................10

1.2. СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ И ФИЗЖО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА САМОФЛЮСУЮЩИХСЯ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ ТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ.....................................................................................13

1.3. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ОПЛАВЛЕНИЕМ.............................................................19

1.4. НАПЫЛЕНИЕ И ОПЛАВЛЕНИЕ ПОКРЫТИЯ.......................................24

1.5. ПРИМЕНЕНИЕ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ МЯГКИХ ПЛЕНОК, СОЗДАЮЩИХ БЛАГОПРИЯТНЫЕ УСЛОВИЯ ПРИРАБОТКИ................26

1.6. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................31

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОРОШКА, ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ ЕГО С ОСНОВОЙ НИС 58...62, ОБРАБОТАННОЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ПЕРЕД НАПЫЛЕНИЕМ, ТОЛЩИНЫ И ТОЧНОСТИ ЕЕ ФОРМИРОВАНИЯ............................................................32

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ..........................32

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.................................................33

РАБОЧИЕ МАТЕРИАЛЫ...................................................................................34

2.2. ТЕОРЕТИКО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ И ТОЧНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ.........................................................................................................36

2.3. ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ НАПЫЛЕННОГО СЛОЯ С ОСНОВОЙ, ОБРАБОТАННОЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ. РЕЗУЛЬТАТЫ

И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ............................................................................45

ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ПРИБОРЫ И УСЛОВИЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОД НАПЫЛЕНИЕ.....................................49

ВЛИЯНИЕ ОПЛАВЛЕНИЯ НАПЫЛЕННОГО СЛОЯ НА ЕГО ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ С ОСНОВОЙ.....................................................53

ВЫВОД Ы...................................................................................................56

3. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ, ОПЛАВЛЕННЫХ В РАСПЛАВЕ ОЛОВА.........................................................................................58

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЛАВЛЕНИИ НАПЫЛЕННЫХ

СЛОЕВ..................................................................................................................58

3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОКРЫТИЯ ПРИ ОПЛАВЛЕНИИ ИХ В ЖИДКИХ СРЕДАХ.....................................................68

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ И ПОРИСТОСТИ ОПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ........................................................................74

3.4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОПЛАВЛЕНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ И МИКРОТВЁРДОСТЬ ПОЛУЧАЕМЫХ ПОКРЫТИЙ....................................78

3.5. ОБРАБОТКА ХРОМОНЖЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ, ОПЛАВЛЕННЫХ В ЖИДКОМ ОЛОВЕ ПЕРЕД НАНЕСЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ МЯГКИХ ПЛЕНОК ТРЕНИЯ................................82

ВЫВОДЫ....................................................................................................87

4. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ПЛЕНКИ «МЕДЬ - ОЛОВО» И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРЫ «ФРИКЦИОННЫЙ СТЕРЖЕНЬ - ОБРАЗЕЦ»..........................................88

4.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................89

4.2. ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФРИКЦИОННЫЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ..........................................................................................94

ВЫВОДЫ......................................................................................................104

5. ОЦЕНКА ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, ОБРАБОТАННЫХ МЕТОДОМ

ФАБО ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ....................105

5.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................106

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ................................................................108

5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В

ЗОНЕ КОНТАКТА «ФРИКЦИОННЫЙ СТЕРЖЕНЬ - ОБРАЗЕЦ»............110

5.3. АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА, ТЕМПЕРАТУРА, ПРИРАБОТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И «ЖИВУЧЕСТЬ»

ПЛЕНОК ПРИ ПОСТОЯННЫХ НАГРУЗКАХ.............................................112

5.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПАР ТРЕНИЯ ПРИ

СТУПЕНЧАТОЙ И ЛИНЕЙНО-ВОЗРАСТАЮЩЕЙ НАГРУЗКАХ..........115

ВЫВОДЫ......................................................................................................125

6. ПРИМЕРЫ ВНЕДРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТАОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ......................................................................................126

6.1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕТАЛЕЙ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ

ИХ РАБОТЫ......................................................................................................126

6.2. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ МЕРОПРИЯТИЯ ПО УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР.......................................................................................129

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА..........................................................132

ВЫВОДЫ......................................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.............................................133

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы повышения качества, надежности и экономичности работы машин, и механизмов технологического оборудования - одни из важнейших проблем, стоящих перед современным машиностроением.

Указанные свойства продукции в значительной мере определяются износостойкостью пар трения. Примерно около 70...80 % их отказов происходит из-за недостаточной стойкости узлов трения [37]. Из общей допустимой величины износа пар трения около 30...70% приходится на приработку. В особенности это сказывается в прецизионных парах гидросистем, гидронасосов, подшипников скольжения, плунжерных пар, кулачковых пар управления рабочим ходом металлорежущих станков, поршневой пары двигателя внутреннего сгорания и др. Приработка рабочих поверхностей контактирующих пар трения должна протекать с минимальным износом и временем выхода на нормальный режим работы, недостаточная их износостойкость сокращает межремонтный период работы машины и резко увеличивает эксплуатационные расходы. При этом стоимость ремонта зачастую превышает стоимость новых изделий, а вероятность их безотказной работы снижается на 20...30% в сравнении с серийно выпускаемыми. Ремонтное предприятие, организация или участок, ремонтирующие машину, технологическое оборудование и оснастку стараются изготовить новую деталь взамен изношенной, не располагая при этом аналогичным материалом, металлорежущим, термическим и контрольным оборудованием и, следовательно, не обеспечивают технические условия на ее изготовление. Необходимо в этом случае не изготавливать новые детали, а качественно восстанавливать изношенные по определенной технологии, которые после этого не уступают по своим эксплуатационным свойствам серийно изготавливаемым, а в большинстве случаев превосходят их в несколько раз. Следовательно, основой для получения износостойких поверхностей трения является разработка прогрессивной

технологии их изготовления с комплексными исследованиями перспектив ее внедрения и приемлемой не только для изготовления новых деталей, но и для качественного восстановления изношенных. Одним из эффективных способов технологического воздействия на эксплуатационные свойства (износостойкость и приработку пар трения, работающих в различных условиях) является их упрочнение напылением №-Сг-В-81 твердыми сплавами и нанесением мягких приработочных пленок трения методом ФАБО (финишная антифрикционная безабразивная обработка), которые и приняты за основу в представленной работе. В настоящее время заводы нашей страны освоили промышленное производство различных порошков, на основе которых можно создавать любые композиции, а затем наносить их на рабочую поверхность детали.

Цель работы. Разработка комплексной технологии нанесения твердых покрытий и мягких комбинированных пленок трения, обеспечивающей существенное повышение износостойкости пар трения, работающих при различных условиях изнашивания.

Объект исследований. Детали узлов трения машин, технологического оборудования, оснастки и инструмента, работающих в условиях граничной смазки, сухого трения и повышенных температур. Например, детали литьевых машин, колонки штампов, детали коробки скоростей машин ЗИЛ, МАЗ, УРАЛ и др.

Методология и методы исследований. Для решения поставленной задачи использовались:

¡.Теория трения, резания металлов и контактного взаимодействия твердых тел.

2. Методы планирования многофакторных экспериментов.

3. При выполнении работы применялись современные методы оценки параметров качества поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей машин.

4. В исследованиях применялись перспективные технологические методы изготовления деталей машин (плазменное напыление, обработка ФАБО и др.).

5. Большой объем экспериментальных исследований был сокращен за счет применения современных математико-статистических методов исследований.

Научная новизна работы. В работе заложена основа технологического обеспечения износостойкости рабочих поверхностей деталей машин на основе комплексной технологии плазменного напыления хромоникелевых покрытий и нанесения комбинированных мягких пленок «медь - олово» методом ФАБО, с целью создания благоприятных условий приработки рабочих поверхностей пар трения.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Новый технологический процесс оплавления № - Сг - В — твердых покрытий в жидком олове.

2. Теоретико-экспериментальную модель, определяющую толщину и точность формирования покрытий.

3. Разработку практических рекомендаций по нанесению мягких и комбинированных пленок трения методом ФАБО.

4. Комплексную оценку эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин, изготовленных по предложенной технологии.

Практическая ценность работы.

1. Разработана и внедрена новая технология оплавления твердых №-Сг-В-81 покрытий в жидком олове, позволяющая существенно повысить производительность процесса и получить требуемые физико-механические свойства (твердость, микротвердость, пористость и величину диффузии в переходной зоне «покрытие - подложка»).

2. Разработаны практические рекомендации по нанесению мягких комбинированных пленок трения.

3. Произведена комплексная оценка эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин, изготовленных по предложенной технологии.

4. Для реализации результатов работы разработаны и проведены практические расчеты нанесения покрытий, а также рекомендации по их применению в промышленности.

Разработка основ прогрессивной технологии процесса упрочнения напылением твердыми хромоникелевыми сплавами рабочих поверхностей трибоэлементов, финишной обработки методом ФАБО, нанесения мягких комбинированных покрытий, обеспечивающей резкое повышение износостойкости трущихся пар, создание благоприятных условий приработки, а также возможность механизации и автоматизации трудоемких операций данного процесса, что особенно важно в условиях гибких автоматизированных производств. Для достижения этой цели изучена система качественных и количественных взаимосвязей технологических факторов, эффективность выполняемых операций, характеризующих состояние поверхностного слоя с комплексным исследованием его эксплуатационных свойств. На этой базе разработан ряд прогрессивных технологических операций, обеспечивающих технологическое управление процессом оплавления покрытий в жидких теплоносителях, произведена оценка точности формирования покрытий, нанесение мягких комбинированных пленок, а также производственными испытаниями, нашедшими широкое применение в промышленности.

В связи с вышеизложенным определились следующие основные задачи исследований:

1. Изучить влияние основных технологических параметров процесса напыления на толщину покрытий и точность ее формирования.

2. Разработать и исследовать новый технологический процесс оплавления самофлюсующихся твердых хромоникелевых покрытий в жидком олове, изучить условия нагрева, диффузию элементов на границе соединения и физико-механические свойства покрытия (твердость, микротвердость, пористость и прочность сцепления с основой).

3. Исследовать технологию финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) рабочих поверхностей трибоэлементов с целью создания благоприятных условий приработки и возможности выхода их в режим избирательного переноса (ИП).

4. Произвести комплексную оценку эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей машин с хромоникелевыми покрытиями (условия нормальных температур) и мягкими комбинированными пленками трения (приработка и грузоподъемность) при различных режимах испытаний.

5. Дать практические рекомендации по внедрению в промышленности предложенной технологии обеспечения износостойкости рабочих поверхностей и создания благоприятных условий приработки.

6. Оценить экономическую эффективность предложенной технологии.

1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ ТВЕРДЫХ ПОКРЫТИЙ И МЯГКИХ КОМБИНИРОВАННЫХ ПЛЕНОК С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.

1.1. Условия работы и материалы для упрочнения и восстановления быстроизнашивающихся поверхностей трения

Стойкость валков для горячей и холодной прокатки с покрытием из СНГН составляет 8...9 месяцев вместо 4-х суток, а направляющих роликов - 5...6 недель вместо 3-х суток [55,68]. Лопатки дымососа Д-12, изготавливаемые из нержавеющей стали Х18Н9Т, имели срок службы 4,5 месяцев, а с покрытием из сплава СНГН - в 4...5 раз больше [143]. Штампы для горячей штамповки турбинных компрессорных лопаток, напыленные сплавом СНГН, увеличили срок службы в 4 раза, при этом был получен экономический эффект около 113000 рублей. Испытания деталей, упрочненных сплавом СНГН при давлении 80 МПа в условиях перегретого пара (Тпара = 850К), показали высокую противозадирную стойкость, превышающую ранее применяемый кобальтовый сплав ВЗК [68,106].

Высокую износостойкость в условиях повышенных температур (Т = 470К) показали уплотнительные кольца теплообменника, упрочненные самофлюсующимися твердыми сплавами [143]. Испытания проводились в диапазоне скоростей 0,5...2,0 м/с и давлении до 3,0 МПа.

Износ гильз, упрочненных сплавом ПГ-СР2 и ПГ-СР4, в 4...5,5 раза меньше по сравнению с износом серийных гильз. Здесь лее отмечается, что износ поршневых колец и поршней, работающих в паре с упрочненными гильзами, в 1,6...2,0 раза меньше в сравнении с серийно выпускаемыми заводом [134]. Износостойкость автомобильных клапанов и коленчатых валов тракторов, упрочненных №-Сг-В-81 твердыми сплавами, в 3...5 раз выше, чем серийно

изготавливаемых из высоколегированных сталей [85, 109, 133, 136, 137]. В работе [116] сообщается об упрочнении деталей стеклоформ твердыми сплавами на осисве №-Сг-В-81 с целью повышения их долговечности. Износостойкость деталей стеклоформ, упрочненных №-Сг-В-81 твердыми сплавами, в 6... 10 раз выше серийно изготавливаемых из легированных чугунов [116]. Там же проводится технологический процесс упрочнения и производственные испытания этих покрытий. Эксплуатационные показатели деталей центробежных насосов, перекачивающих горячий коррозионный продукт (Т = 620...690К) переработки нефти, упрочненных твердыми сплавами, в 2...4 раза выше в сравнении с применяемыми ранее нержавеющими сталями [51]. Швейцарская фирма «Кастолин» специализируется на исследовании, создании и внедрении твердых сплавов «оталлой» для защиты стеклоформ от износа [100]. Эти сплавы изготавливаются в виде штабиков, электродов или порошков и наносятся на изделия напылением при помощи специальных горелок. Нанесение покрытий из металлических порошков на основе М-Сг-В-Б! и №-В-81 как на новые формы, так и на бывшие в эксплуатации, успешно используются при производстве стеклоизделий [158]. При этом отмечается, что физико-химические свойства материала форм должны соответствовать физико-химическим свойствам порошков.

Внедрение в производство указанного процесса и покрытий при наплавке матриц форм и пуансонов экономически выгодно, так как позволяет увеличить качество изготовляемых стеклоизделий. В ГДР [63,64] М-Сг-В-81 твердые сплавы наносят на различную номенклатуру деталей (насосов, поршней, рычагов, поршневых колец, клапанов и др.) с целью повышения их износостойкости. Большая номенклатура деталей самолетов напыляется в США [71]. Фирма "Дженерал электрик" напыляет около 2000 наименований деталей самолета на общую сумму более 100 млн долларов. В ФРГ [156,157] плазменное напыление применяют для восстановления изношенных деталей самолетов. Фирма "Ме^о"

и

[147] восстанавливает изношенные детали самофлюсующимися порошками типа "Мегсо". Температура оплавления 1370...1390К, при этом напыленные детали имели срок службы в 4...5 раз больше, чем стальные и чугунные. Во Франции [146] для изготов