Поверхность. Поверхностный слой. Способы упрочнения поверхностного слоя. Общие понятия наноинженерии

Температурное воздействие на поверхности деталей при эксплуатации вызывает неравномерные объемные и линейные изменения, что приводит к изменению их остаточных напряжений и возникновению микротрещин, а зачастую растрескиванию и разрушению поверхностных слоев.

Взаимное перемещение контактирующих поверхностей приводит к их трению и износу, которые могут вызывать значительные изменения их качества. Изменяются шероховатость, волнистость, макроотклонения и физико-механические свойства поверхностей трения, даже без проскальзывания и качения контактирующих поверхностей деталей в результате воздействия вибраций от других машин, подверженных фреттинг-износу, а следовательно изменению своего качества.

7) Важнейшим этапом в инженерии поверхности деталей являются их ремонт и восстановление .

При ремонте машин зачастую требуется замена или восстановление деталей вследствие износа и коррозии их рабочих поверхностей или наличия на них микротрещин, которые могут привести к разрушению машин при дальнейшей эксплуатации.

Замена деталей или их восстановление определяется себестоимостью процессов. Если детали несложные, изготавливаются в условиях массового производства и отличаются низкой себестоимостью, то, очевидно, экономически выгодно при ремонте осуществлять их замену. Когда детали сложные и дорогие, то экономически целесообразно при ремонте восстанавливать их изношенные или корродирующие поверхности. При этом восстановление деталей как по размерам, так и по качеству их рабочих поверхностей должно проводиться до их оптимальных значений, определяемых функциональным назначением. Для одних деталей это будет их исходное состояние перед эксплуатацией, для других - сформированное в процессе приработки.

Что касается технологии восстановления, то она зависит, как правило, от величины восстанавливаемого поверхностного слоя и необходимости обеспечения или повышения его долговечности. При этом учитывается и подготовка исходной поверхности с возможностями дефектного поверхностного слоя восстанавливаемой детали.

Таким образом, поверхность может восстанавливаться путем поверхностного пластического передеформирования материала или нанесения новых поверхностных слоев на изношенную деталь с соответствующей дальнейшей обработкой. При этом дополнительно необходимо осуществлять контроль и испытание поверхностного слоя, прочность его сцепления с основным материалом детали.

8) Утилизация. Утилизации могут подвергаться дорогостоящие (позолоченные) или экологически вредные для здоровья (радиационные, химически активные) поверхностные слои деталей, которые могут сниматься с детали химически или механически. Если детали имеют запас по ресурсу, то они используются повторно в новых или ремонтируемых изделиях. Этап 8 жизненного цикла в инженерии поверхности деталей является менее изученным, а поэтому малореализуемым.

 

2. Упрочнение поверхностного  слоя деталей машин

2.1. Назначение  и классификация методов упрочнения

Упрочнение – повышение сопротивления заготовки (детали) разрушению или деформации. В зависимости от условий эксплуатации детали имеют тот или иной вид разрушения, а, следовательно, их конструкционная прочность будет определяться различными характеристиками конструкционной прочности материала (КПМ) [12].

Характеристики КПМ можно объединить в две группы: кратковременные и временные.

К первой группе относятся временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение при разрыве, ударная вязкость и т.д., которые определяют сопротивление материала действующим нагрузкам при однократном их приложении.

Ко второй группе относятся длительная прочность, сопротивление усталости, контактная выносливость, износ, термостойкость, коррозия под напряжением и др., которые зависят от продолжительности нагружения. КПМ можно повысить конструктивными, металлургическими, технологическими и эксплуатационными методами.

Современная технология располагает большим количеством методов упрочнения, которые позволяют повысить практически любую характеристику КПМ.

Различают объемные упрочнения, т.е. обеспечивающие примерно одинаковое упрочнение по всему сечению заготовки, и поверхностное, при котором осуществляется упрочнение только поверхностного слоя.

Объемное упрочнение применяется для повышения статической прочности деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Объемное упрочнение осуществляется, как правило, термической объемной обработкой.

Формирование требуемых эксплуатационных свойств деталей при термической обработке достигается правильным выбором материала, скорости и температуры нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения, глубины прокаливаемости, а также сочетанием различных методов термообработки. Большинство деталей машин работают в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем.

Поэтому долговечность таких деталей во многом определяется физико-механическим состоянием поверхностного слоя. Для таких деталей используют методы поверхностного упрочнения. Поверхностное упрочнение деталей может осуществляться двумя путями: изменением (модификацией) состояния поверхностного слоя или нанесением покрытий.

С физической точки зрения упрочнение металла путем модифицирования представляет собой процесс увеличения дефектов кристаллической структуры (вакансии, внедренные атомы, атомы примеси, дислокации, дефекты упаковки, границы зерен, блоков, субзерен, фрагментов и др.). Особую роль отводят механизму дислокационного упрочнения. Увеличение дефектов кристаллической структуры способствует торможению подвижных дислокаций и, как следствие, повышению сопротивления сдвигу.

С другой стороны, чрезмерное увеличение дефектов кристаллической структуры металлов, может явиться источником большой локальной напряженности в металле и появлением в нем поврежденности в виде субмикро-, микро- и макропор и трещин, снижающих КПМ. Поэтому процесс упрочнения металла технологически должен быть управляем.

Упрочнение путем модификации осуществляется термообработкой, насыщением поверхностного слоя легирующими элементами, пластической деформацией или физическими полями. Распространенным методом нагрева деталей под поверхностную термообработку является нагрев токами высокой частоты (ТВЧ), позволяющий получить сочетание высокой твердости поверхности и вязкости сердцевины. Широкие возможности по упрочнению поверхностного слоя обеспечивают методы, основанные на использовании концентрированных потоков (КПЭ) энергии.

 

Насыщение поверхностного слоя металлами и неметаллами повышает их эксплуатационные свойства за счет увеличения твердости и износостойкости (углерод, азот), жаростойкости (алюминий, хром, кремний) или другие свойства.

Скорость внедрения атомов легирующих элементов в кристаллическую решетку основного металла увеличивается с ростом температуры и давления.

Наряду с традиционными методами химико-термической обработки, осуществляемыми с объемным нагревом деталей, применяются методы лазерного, ионного, электроэрозионного поверхностного легирования, которые позволяют получать специфичные структуры с высокими эксплуатационными свойствами.

 

2.2. Основные методы упрочнения деталей машин

 

1. Наплавка  покрытий 

Наплавка  покрытий – это  процесс  нанесения  покрытия  из  расплавленного материала на разогретую до температуры плавления поверхность восстанавливаемой детали. Покрытия,  полученные  наплавкой,  характеризуются  отсутствием  пор, высокими значениями модуля упругости и прочности на разрыв. Прочность соединения этих покрытий с основой соизмерима с прочностью материала детали [13].

Если  в  машиностроительном  производстве  наплавку применяют  для повышения износостойкости  трущихся  поверхностей,  то  в  ремонтном  производстве – в основном для проведения последующих работ по восстановлению расположения, формы и размеров  изношенных элементов.

На рис.2.1 представлена схема основных видов наплавки покрытий

Рис.2.1 Схема основных видов наплавки покрытий

 

Рассмотрим схему наплавки на примере электродуговой наплавки под слоем флюса (рис.2.2).

Сущность электродуговой наплавки под слоем флюса в том, что сварочная  дуга  горит  между  голым  электродом  и  изделием  под  слоем  толщиной 10...40 мм сухого гранулированного флюса с размерами зерен 0,5...3,5 мм.

В  зону  наплавки  подают  электродную  сплошную или  порошковую проволоку (ленту) и флюс. К детали и электроду прикладывают электрическое напряжение. При электродуговой наплавке под слоем флюса применяют постоянный  ток  обратной  полярности.  При  наплавке  цилиндрических  поверхностей  электрод  смещают  с  зенита  в  сторону,  противоположную  вращению. Величина смещения составляет -10% диаметра наплавляемой детали. Электрод должен составлять угол с нормалью к поверхности 6...8¾. Флюс в зону наплавки подают из  бункера. Расход флюса и,  соответственно, толщину его  слоя  на поверхности детали регулируют открытием шибера. После зажигания дуги одновременно  плавятся  электродная  проволока,  поверхность  детали  и  флюс.  Сварочная дуга с каплями металла оказывается в объеме газов и паров, ограниченном жидким пузырем из расплавленного флюса. Этот пузырь обволакивает зону наплавки и изолирует ее от кислорода и азота воздуха.

Рис.2.2. Схема наплавки под слоем флюса: 1 – бункер с флюсом; 2 – электрод; 3 – оболочка расплавленного флюса; 4 – газопаровой пузырь; 5 – наплавленный слой; 6 – шлаковая корка; e – величина смещения электрода с зенита; ωд – угловая частота вращения детали

 

Жидкий  металл  в  сварочной  ванне  постоянно  движется  и  перемешивается. Металл сварочного шва, полученного под флюсом, состоит из расплавленного  присадочного  (1/3)  и  переплавленного  основного  металла  (2/3). Массы расплавленных флюса и присадочного металла примерно одинаковы. Флюс  является  вспомогательным  материалом.

2. Электроконтактная  приварка

Сущность  электроконтактной приварки состоит  в  закреплении  металлического  слоя  его  на  изношенной  поверхности мощными импульсами  тока  с приложением давления (рис. 2.3).

Рис.2.3. Схема электроконтактной приварки ленты: 1 и 3 – ролики; 2 – восстанавливаемая деталь; 4 – трансформатор; 5 – контактор

Металл детали и слоя расплавляется в результате прохождения тока не по всей толщине покрытия, а только  в  точках контакта материала. Способ реализуют путем совместного деформирования наносимого металла и поверхностного  слоя  детали,  нагретых  в  очагах  пластического  деформирования  короткими (0,02...0,16  с)  импульсами  тока  7...30  кА.

Деформирующее усилие составляет 1000...1600 Н. Слой приваривают по всей поверхности детали перекрывающимися точками, которые располагаются по винтовой линии. Сварные точки перекрываются как вдоль рядов, так и между  ними.  Перекрытия  точек  достигают  частотой  импульсов  тока,  пропорциональной  частоте  вращения  детали  и  скорости  продольного  перемещения  сварочной головки. Материал детали прогревается на малую глубину, что обеспечивает  неизменность  его  хим.  состава  и  исключает  применение  флюсов  и  защитных газов.  Для  уменьшения  нагрева  детали  и  улучшения  условий  закалки приваренного слоя в зону приварки подают охлаждающую жидкость [13].

3. Напыление  материала

Напыление материала заключается  в  нагреве  материала,  его  диспергировании  (дроблении),  переносе  движущейся  средой,  ударе  о  восстанавливаемую поверхность или покрытие, деформировании и закреплении (рис. 2.4).

Особенность – в отсутствии расплавления поверхности основного металла, что обеспечивает незначительную деформацию детали. Небольшая температура подложки (до 150...200¾) позволяет применять процесс для нанесения покрытий на стекло, фаянс, фарфор, дерево, пластмассу, ткань или картон.

 

Рис.2.4. Схема процесса напыления: А – зона расплавления

материала; Б – зона распыления; В – факел; Г – зона образования

покрытия; 1,3 – пятно насыщения соответственно максимального и

минимального; 2 – кольцо среднего насыщения; DB –диаметр

воздушной струи; Lп – размер очага плавления; А – перекрытие

 

Соединение металлических частиц с поверхностью детали и между собой носит в  основном механический  характер. Пластическое деформирование частиц при ударах о подложку и между собой придает им расплющенную форму, вызывает  наклеп  материала,  изменение  текстуры  и  частичное  разрушение  оксидной пленки.

Основные виды напыления:

– Индукционное

– Электродуговое

– Плазменное

– Газопламенное

– Детонационное

Процесс  нанесения  покрытия  может  быть  без  оплавления,  с  одновременным оплавлением, с последующим оплавлением [13].

4. Нанесение электрохимических покрытий

Процессы  взаимного  превращения  химической  и  электрической  форм энергии  являются  электрохимическими  процессами.  В  свою  очередь,  они подразделяются на две группы: превращения химической энергии в электрическую  (в  гальванических  элементах)  и  электрической  энергии  в  химическую (электролиз).

В простейшей электрохимической системе имеются два электрода и ионный проводник между ними (внутренняя цепь). Металлический проводник, замыкающий электроды с источником или потребителем электрической энергии, представляет собой внешнюю цепь.

При восстановлении деталей используют процессы получения покрытий, прочно соединенных с поверхностями  деталей. Эти процессы основаны на явлениях электролитической диссоциации и электролиза.

В зависимости от видов материала наносимых покрытий гальванические процессы  делятся  на  железнение,  хромирование,  цинкование,  кадмирование, никелирование и др. В ремонтном производстве получили наибольшее распространение первые 3 процесса. В свою очередь, первые два процесса обеспечивают  получение  износостойких  покрытий,  а  цинкование – как  износостойких, так  и  защитных  покрытий.  Цинк  гарантирует  надежную  катодную  защиту стальных изделий.