Технологические методы повышения триботехнических свойств узлов трения
Существующие технологические методы обеспечения износостойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп: химико-термические, объемная и поверхностная закалка, электрохимические, химическая обработка, механотермические, наплавка износостойких слоев, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование, механическое упрочнение и др. Применение этих методов в значительной мере связано с историей развития автомобилестроения в развитых странах. Само развитие этих методов было вызвано стремлением повысить эксплуатационные качества автотранспортных средств.
Химико-термическая обработка (ХТО)
Целью ХТО является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов. Затем поверхность подвергается закалке. Поверхностный слой приобретает высокую твердость (до 60 и более единиц по шкале Роквелла). Сюда относятся цементирование, азотирование, борирование, насыщение хромом, никелем, цианирование (насыщение одновременно азотом и углеродом), борохромирование (одновременное насыщение бором и хромом), карбоборирование (одновременное насыщение углеродом и бором) и др.
Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм. Химико-термическая обработка получила наибольшее распространение как метод упрочнения поверхностей из-за простоты, доступности и высокой эффективности. Азотированию подвергаются стальные детали при более низкой, чем при цементировании, температуре: 520–560 оС. Легирующие элементы, входящие в состав стали (Cr, Mo, V, Al), образуют с азотом стойкие нитриды. Наибольшую твердость придает алюминий, однако поверхностный слой приобретает повышенную хрупкость и наблюдается искажение формы изделия. Азотирование придает деталям высокую цикличную прочность и соответственно стойкость против усталостного изнашивания. Поэтому азотированию подвергают коленвалы, цилиндры, поршневые кольца, седла клапанов, зубья шестерен. Ресурс шеек азотированных коленвалов превосходит амортизационный срок двигателя. Кроме износостойкости, азотирование придает деталям и высокую коррозионную стойкость. Износостойкость сохраняется при нагреве до 600 оС (что весьма важно для ДВС), в то время как при нагреве цементированной поверхности выше 275 оС, твердость ее, а следовательно и износостойкость снижаются. Недостатком метода является увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.
Цианирование (нитроцементация) происходит в жидких (расплавы солей) и газовых азотно-углеродных средах. Низкотемпературное цианирование осуществляется при температуре 530–650 оС, имеет небольшую скорость и применяется для высоколегированных инструментальных высокоуглеродистых сталей и легированных сталей с содержанием углерода до 0,4 %. Обработке подвергаются ответственные резьбовые соединения, втулки, зубчатые колеса, вилки механизма коробки перемены передач, ролики, кулачковые пары. Наиболее гибким процессом является газовое цианирование. Оно поддается автоматизации и позволяет управлять содержанием С и N в отдельности. Преимущество цианирования перед цементированием и азотированием – большая скорость процесса и более высокий упрочняющий эффект.
Аналогична и технология диффузионного насыщения рабочих поверхностей деталей бором, хромом, никелем, серой в отдельности или в различных комбинациях.
Поверхностная закалка
Эта операция сопровождает химико-термическую обработку, а также имеет и самостоятельное значение. В самостоятельном виде она применяется для образования твердого износостойкого слоя на поверхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов. Ей предшествует объемная термообработка: нормализация или объемная закалка и высокий отпуск. Она состоит из двух операций: нагрева поверхностного слоя и быстрого его охлаждения. По способу нагрева различают следующие методы поверхностной закалки: высокочастотный, контактный, плазменный, при нагреве в электролите, лазерный.
Наиболее распространенным и эффективным является высокочастотный метод нагрева. К генератору высокой частоты подключается охлаждаемая катушка из нескольких витков. Внутри катушки возникает высокочастотное электромагнитное поле, в которое помещают деталь. Вследствие явления электромагнитной индукции в детали возникают вихревые токи (токи Фуко), которые текут лишь в тонком поверхностном слое, где и выделяется вся образующаяся теплота. Поверхностный слой разогревается до температуры закалки за очень короткое время, недостаточное для того, чтобы тепло распространилось вглубь детали. Затем нагретая поверхность резко охлаждается потоком жидкости (обычно воды). В результате закаливается тонкий поверхностный слой, основа же при этом остается вязкой, что предохраняет деталь от хрупкого излома при циклическом действии нагрузки.
Поверхностная закалка с электроконтактным нагревом осуществляется путем пропускания переменного тока через контакт детали с электродом в виде катящегося по поверхности детали ролика. Применяется ток промышленной частоты низкого напряжения. Источником тока является однофазный сварочный трансформатор. Из-за высокого электросопротивления в месте контакта ролика с деталью выделяется большое количество теплоты, и зона контакта разогревается до температуры закалки. Нагретая поверхность охлаждается струей воды.
Плазменные методы предусматривают нагрев поверхности за счет обработки струей низкотемпературной плазмы. Плазма получается двумя способами. Первый способ заключается с использовании обычных газовых горелок, применяемых для резки и сварки металлов. В качестве сгорающей газовой среды используется смесь кислорода с ацетиленом или другими углеводородами. Другой способ предусматривает использование разогретой струи инертного газа, продуваемого через зону дугового разряда. Устройство, генерирующее струю такой плазмы, называется плазмотроном. В качестве источника плазмы обычно используют аргон.
Нагрев в электролите осуществляется путем помещения детали в ванну с раствором кальцинированной соды или поташа. Ванну подключают к положительному полюсу источника постоянного тока, а деталь – к отрицательному. При достаточно большой силе тока поверхность детали быстро нагревается за счет того, что выделяющийся в результате электролиза водород образует на поверхности оболочку, обладающую высоким электросопротивлением. Эта оболочка является одновременно тепловым экраном, предотвращающим рассеивание тепла в электролит. Таким методом закаливают штанги толкателей и стержни клапанов газораспределительного механизма ДВС и ряд других деталей.
Электрохимические покрытия
Их наносят на поверхности методом электролиза, что широко используется в современной технологии. Чаще всего применяются электролитическое хромирование, серебрение, нанесение покрытия из олова, свинца, цинка, индия и сплавов легкоплавких металлов. Вещества могут наноситься как непосредственно рабочие слои, так и как элементы многослойных покрытий.
Одно из главных мест занимает хромирование с целью повышения износостойкости. Хром обладает высокой твердостью, хорошим сцеплением со сталью и высокой химической стойкостью. Все элементы подшипников качения подвергаются хромированию. Для повышения тепло- и кислотостойкости покрытие обрабатывается парами бензина при температуре около 1000 оС. При этом углерод вступает в химическое соединение с хромом с образованием карбидов, которые заполняют микротрещины в покрытии. Гладкие хромовые покрытия, обладающие плохим смачиванием маслами, плохо прирабатываются, поэтому часто используются пористые покрытия. Такие покрытия наносят на поршневые кольца. Масло, находящееся в порах, предотвращает схватывание в ходе приработки. У хромированных гильз цилиндров ДВС поры заполняют мелкодисперсным дисульфидом молибдена, что также способствует приработке. Хромовое покрытие обладает высоким сопротивлением износу в условиях граничной смазки. Хром, мало изнашиваясь сам, мало изнашивает и сопряженную стальную поверхность. Это было установлено при изучении изнашивания стальных гильз цилиндров и поршневых колец ДВС.
Серебро наносится гальваническим методом, преимущественно на детали электроконтактных устройств. Применение серебряных, а также золотых и палладиевых покрытий позволяет резко снизить переходное сопротивление в скользящих электрических контактах. Использование серебра как антифрикционного материала оказалось малоэффективным.
В технике подшипников скольжения широко применяются электролитические покрытия деталей оловом, свинцом, индием и другими мягкими и пластичными металлами и сплавами. Использование таких покрытий позволяет ускорить приработку поверхностей деталей. Наиболее часто используются оловянные и олово-свинцовые покрытия. Олово и олово-свинцовые сплавы хорошо сцепляются с основой. Из-за низкой твердости покрытия существенно возрастает фактическая площадь контакта и снижаются контактные напряжения. Покрытия наносят на вкладыши подшипников скольжения ДВС. Покрытия из чистого свинца не применяются из-за низкой коррозионной стойкости к воздействию кислот, содержащихся в смазочных маслах. Покрытия цинком применяются при производстве кузовных деталей автотранспорта. При этом срок службы покрытия достигает десяти лет.
Химическая обработка
Данный метод предназначен для создания защитных слоев за счет химических реакций. Большой интерес представляют никель-фосфорные покрытия, получаемые за счет выделения металлов из раствора их солей с помощью химических препаратов – восстановителей. Покрытие содержит 92–95 % Ni и 5–8 % Р. Прочность сцепления с основой повышается за счет термообработки покрытия. Термообработка также повышает твердость и антикоррозийность. Покрытия хорошо прирабатываются, причем в ходе приработки вследствие высокой пластичности материал покрытия с вершин выступов частично перетекает во впадины микрорельефа. Повышается фактическая площадь контакта и снижаются контактные напряжения. Однако покрытия имеют низкую стойкость к циклическому нагружению и способны отслаиваться.
Значительное место в технологии повышения износостойкости занимают оксидирование и фосфатирование. Оксидирование – это искусственное создание оксидной пленки. На стали формируется пористая пленка окиси железа Fe3O4 малой толщины (до 3 мкм), имеющая малую твердость и хорошее сцепление с основой. Она хорошо удерживает смазку, предотвращает заедание и, разрушаясь, образует тонкий абразив, способствующий приработке. Пленку получают разными путями: химическим, электрохимическим, термическим и термохимическим. Химическая обработка осуществляется в щелочных и кислотных средах при температуре раствора 138–165 оС. Образующаяся пленка помимо оксидов содержит некоторое количество фосфатов. Применяется также обработка паром. Термическое и химико-термическое оксидирование проводится путем нагрева деталей в расплавленной селитре или на воздухе.
Важное значение имеет нанесение защитной оксидной пленки на поверхность деталей из алюминия и его сплавов. Оксидная пленка имеет высокую твердость и при химическом оксидировании обладает толщиной до 5 мкм. Пористая пленка пропитывается смазочными маслами, содержащими коллоидный графит, или дисульфид молибдена, что придает подшипниковым вкладышам высокие антифрикционные свойства. Часто защитные пленки получают электрохимическим путем толщиной до 0,3 мм методом глубокого анодирования. Утолщение пленки происходит как за счет проникновения вглубь детали, так и наращивания на поверхности. Таким образом, увеличивается размер детали. Хороший результат дает глубокое анодирование поршней ДВС. Резко снижается износ, повышается надежность из-за уменьшения вероятности заклинивания.
Прогрессивным способом химической обработки поверхностей деталей является фосфатирование – формирование пленки из нерастворимых фосфорнокислых солей. Пленка формируется в среде раствора при температуре около 100 оС. Толщина пленки достигает 50 мкм. Размеры детали изменяются незначительно. Она прочно сцеплена с основой, жаростойка (до 600 оС), устойчива к воздействию кислот, содержащихся в смазке, имеет низкую твердость и высокую пористость. Она пропитывается маслом, содержащим твердосмазочные добавки, и хорошо защищает детали от задира. Успешно используется для защиты поверхностей цилиндровых гильз, поршневых колец, вкладышей подшипников, пальцев верхних головок шатунов, резьбовых соединений.
К современным методам создания защитных пленок на поверхностях ответственных деталей относится химическое воздействие газовой среды при определенных значениях температуры и давления (иногда с применением пучков ускоренных ионов). Примером такого метода является создание на поверхности прочно связанного с основой слоя дисульфида молибдена. Для этого на деталь наносится электролитическим путем слой молибдена. Затем поверхность при определенной температуре и давлении обдувают парами серы. Дисульфид молибдена, образующийся в ходе поверхностной реакции, прочно связывается с основой и образует надежное твердосмазочное покрытие. Если затем поверхность бомбардировать ускоренными ионами, то кристаллы дисульфида молибдена плоскостями наименьшего сопротивления сдвигу устанавливаются параллельно поверхности детали, и коэффициент трения по такой поверхности близок к нулю (аномально низкое трение). Другим примером такого способа создания покрытия является формирование на поверхности тонкой алмазной пленки, обладающей высочайшей износостойкостью. В этом случае специально подготовленная поверхность детали при соответствующих диаграмме фазового равновесия углерода значениях температуры и давления обдувается одним из углеводородов. На поверхности образуется тонкая (до 10 мкм) пленка углерода в виде алмаза. Здесь мы говорим уже о технологии XXI века.
Наплавка износостойких слоев
Это один из наиболее распространенных способов восстановления изношенных деталей автотранспортных средств. Имеется большое число методов наплавки, которые различаются источниками тепловой энергии, способами защиты наплавляемого металла, уровнем автоматизации. Однако все виды наплавки имеют общие металлургические и физико-химические основы. К ним относится расплавление наносимого металла с частичным расплавлением поверхностного слоя, перемешивание расплавов, кристаллизация.
Наибольшее распространение получила электродуговая наплавка, осуществляемая ручным и полуавтоматизированным способами. При механизированной наплавке вместо отдельных электродов применяется свернутая в бухту проволока либо электродная лента. Чаще всего применяется наплавка под слоем флюса. Порошковый флюс, непрерывно подаваемый в зону дуги образует над швом шлаковую оболочку, которая из-за низкой теплопроводности уменьшает скорость охлаждения наплавленного материала, что способствует нормализации структуры, а также защищает шов от окисления, предотвращает разбрызгивание металла, доля которого во шве колеблется от 30 до 65 %, что ухудшает свойства защитного слоя и делает их в значительной мере случайными величинами. Наплавка под флюсом успешно применяется при восстановлении клапанов автомобильных двигателей, осей шарниров и других сильно изнашиваемых деталей. Качество покрытия заметно улучшается, когда исключается контакт наплавляемого материала с кислородом воздуха. Для этого процесс проводят в среде углекислого газа, аргона и их смесей. Интересен высокоэффективный метод наплавки порошковой проволокой, представляющей собой тонкую трубку из стали с запрессованной в ней порошковой смесью, обеспечивающей получение требуемого состава наплавляемого слоя.
Применение плазменно-дугового вместо обычного электродугового разряда позволило существенно снизить вредное влияние подплавления основного материала. Здесь возможны разные варианты подачи наплавляемого материала в зону наплавки: подача проволоки, проплавление заранее уложенной проволоки (так наплавляют клапаны ДВС), вдувание наплавляемого порошка вместе с потоком плазмы. Последний метод предпочтителен, поскольку позволяет полностью автоматизировать процесс наплавки.
Напыление покрытий из порошковых материалов
Этот метод является одним из наиболее эффективных способов создания износостойких слоев. Если в высокотемпературную струю газа подать частицы порошка или капли расплава, то при столкновении с поверхностью они деформируются и прочно прикрепляются к детали. Существует две разновидности такой технологии: газоплазменное напыление и электрическое напыление. В газоплазменном методе тепло выделяется в результате сжигания смеси горючего газа с кислородом, в электрическом – источником тепла является электрическая дуга. Для газопламенного напыления в кустарных условиях производства используют обычные газовые горелки, обеспечивающие плавление и разбрызгивание материала проволоки, подаваемой в зону факела. В качестве источника высокотемпературной и скоростной струи удобно использовать плазмотрон. В этом случае напыляемый порошок подается в струю плазмы. Имеются и электродуговые устройства, в которых через зону плавления в дуговом разряде двух проволочных электродов вдувается сжатый воздух. Струя раскаленного воздуха вместе с каплями расплава направляется на поверхность детали.
Главным достоинством метода напыления является его универсальность – независимость от природы материала детали. Можно наносить покрытия не только на металлы, но и на керамику, дерево, бетон, полимеры, ткани, бумагу. Это связано с тем, что напыление не оказывает заметного теплового воздействия на основу. То же можно сказать и о напыляемых материалах. Напыляют цветные металлы и сплавы, стали, твердые сплавы и керамику, пластмассы, декорирующие смеси. Не имеют также особого значения форма и размеры деталей.
Ионно-плазменные методы
Данные методы весьма эффективны. В связи с тем, что их применение требует высокого разрежения, они осуществляются в вакуумных камерах, поэтому являются достаточно дорогостоящими и применяются лишь для весьма ответственных деталей, работающих при высоких температурах в условиях адгезионного и окислительного изнашивания. В условиях вакуума наносимый металл превращается в газ, пар, ионизированный пар и плазму, а затем в атмосфере реакционного или инертного газа оседает на поверхности детали. Покрытие может быть получено способами термического испарения, катодного или ионно-плазменного распыления или с помощью бомбардировки поверхности потоком из частиц осаждаемого вещества. В качестве реакционного газа применяются азот или углеводород, в результате формируется нитридное или карбидное покрытие.
Широко распространена технология нанесения покрытий из плазмы дугового разряда с холодным катодом. Материал испаряется катодным пятном электрической дуги – сильноточным низковольтным разрядом, развивающимся в парах материала электродов. Между анодом и катодом из напыляемого материала возникает разряд, протекающий в парах продуктов эрозии катода. Металлическая плазма выделяется из микропятен катода, в зонах которых возникают локально высокая температура и давление. Прикладывая к детали ускоряющий потенциал, повышают скорость генерируемых в плазме ионов. Такая технология реализуется в имеющихся на многих предприятиях установках «Булат». Наиболее часто наносят покрытия из TiC, TiN, Al2O3 – наиболее твердых износостойких материалов. Развитие метода связано с внедрением плазменных ускорителей, формирующих сфокусированный высокоскоростной ионно-плазменный пучок, сканирующий поверхность детали. Здесь так же, как и в электронно-лучевой трубке, фокусирование пучка и сканирование осуществляются с помощью электростатических, магнитных линз и отклоняющих пластин. Покрытия имеют небольшую толщину 4–10 мкм, вызывают заметное улучшение качества поверхностей, обладают высокой коррозионной стойкостью. Они используются для повышения износостойкости металлообрабатывающего инструмента, коленвалов, деталей топливной аппаратуры дизелей, клапанов и т. д.
Механическое упрочнение поверхностей
Привлекают простота и дешевизна этого метода. Здесь используется явление значительного роста предела текучести, а, следовательно, и твердости материала, при высокой степени пластической деформации – деформационное упрочнение. Метод реализуется путем обкатывания поверхностей роликами или шариками, выглаживания сферическими алмазными наконечниками, обработки струей из мелких стальных или стеклянных шариков (дробеструивание). Помимо упрочнения поверхность выглаживается, заметно снижается высота шероховатости. Вершины выступов становятся более пологими, и контакт переходит из пластического в упругое состояние. Возможно также залечивание поверхностных дефектов (микротрещин). Все это существенно повышает усталостную износостойкость, снижает срок приработки. Известны положительные результаты алмазного выглаживания шеек коленвалов дизельных и бензиновых ДВС, поверхностей распредвалов и других деталей.
Известной разновидностью методов поверхностного пластического деформирования (ППД) является технология виброупрочнения, созданная профессором Шнейдером Ю. Г. (С. Петербург). В этом способе выглаживающему индентору сообщается колебательное (вибрационное) движение, и при совмещении колебательного движения индентора с поступательным по обрабатываемой поверхности при малой скорости движения можно получить полностью наклепанную поверхность, а при увеличении скорости – синусоиды или их переплетение. В этом случае говорят о частично упрочненной поверхности, которая выглядит как рельеф, называемый «крокодилова кожа».
Обработка поверхности концентрированными потоками энергии (КПЭ)
В последние годы все большее распространение получают лазерные технологии. Они отличаются высокой культурой производства и эффективностью. Лазерное излучение в инфракрасном диапазоне, сфокусированное в пятно диаметром порядка десятка микрометров, совершает пилообразное движение (сканирование) по поверхности детали, покрывая весь выделенный под закалку участок. Скорость нагрева микрообъемов детали, взаимодействующих с лучом лазера, и последующего охлаждения достигает 106 К/с. Это обеспечивает закалку поверхностного слоя, толщина которого регулируется за счет изменения скорости сканирования. Сканирование производится путем перемещения детали по заданной программе специальными механическими устройствами. Используются как твердотельные лазеры, работающие в импульсном режиме, так и газовые с непрерывным процессом излучения. Лазерная закалка обеспечивает получение однородной мелкокристаллической поверхностной структуры, обладающей повышенной твердостью и износостойкостью. После термообработки лазерным лучом не происходит коробление элементов рельефа детали, не наблюдается заметное ухудшение качества поверхности. Из-за высокой стоимости процесса лазерной закалке подвергаются самые дорогостоящие и ответственные детали, например коленвалы ДВС.
Эффективным методом повышения износостойкости деталей является лазерное легирование с одновременной закалкой поверхностного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается тонким слоем вещества, содержащего легирующие элементы. Так же, как и при лазерной закалке, луч сканирует по поверхности детали. Однако режим сканирования подбирается таким, чтобы температура в микрообъемах поверхности обеспечивала плавление. Таким образом проплавляется весь поверхностный слой. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую решетку материала детали. Замечательным является то, что из-за высокой скорости нагрева и последующего охлаждения, помимо твердых растворов легирующих элементов, в материале детали возникают метастабильные структуры с избыточным по сравнению с твердым раствором содержанием легирующего элемента. Таким образом, возникает возможность внедрения в кристаллическую решетку даже такого элемента, с которым вещество детали вообще не может образовать твердого раствора. Такие метастабильные структуры, будучи прочно связаны с основой, обладая при этом сверхвысокой твердостью, обеспечивают резкое повышение износостойкости.
Электромеханическая обработка
Одним из перспективных направлений в технологии поверхностного упрочнения является разработка методов высокоскоростного температурно-силового воздействия с использованием различных видов подводимой в зону обработки энергии. Электромеханическая обработка (ЭМО) как технология высокоскоростного температурно-силового воздействия на обрабатываемую поверхность имеет ряд преимуществ, основными из которых являются: применение широко распространенной, относительно недорогой и удобной в использовании электрической энергии, экологическая чистота процесса, низкая стоимость оборудования в сочетании с типовыми металлорежущими станками, простота и удобство управления технологическими режимами.
ЭМО основана на модификации структуры поверхностного слоя материала комплексным термо-деформационным воздействием при прохождении электрического тока высокой плотности (108–109А/м2) и напряжения 2–5 В через зону контакта деформирующего электрода-инструмента с обрабатываемой поверхностью.
Выделение в локальном объеме поверхностного слоя большого количества Джоулева тепла, приводит к высокоскоростному нагреву зоны контакта обрабатываемой поверхности и деформирующего электрода-инструмента до температур порядка 1500 К (скорость нагрева превышает 105 К/с), с одновременной пластической деформацией и быстрым отводом тепла в основной объем материала и охлаждающую среду (скорость охлаждения – 104 К/с). В результате такого высокоскоростного термо-деформационного воздействия изменяется структурно-фазовое и напряженно-деформированное состояние, макро- и микрогеометрия поверхности стальных изделий.