Файл: Износа и смазки.pdf

137
- свойства материалов сопряженных деталей и их покрытий
(прочностные, усталостные, релаксационные, теплофизические и др.);
- технология изготовления и сборки уплотнений (способ и ха- рактер обработки поверхностей, точность изготовления и т.д.).
- канавочные уплотнения;
- лабиринты;
- кольца из эластичного материала;
- войлочные кольца;
- масло отражательные устройства;
- манжеты;
- лепестковые уплотнения;
- шевронные многорядные уплотнения;
- сальниковые уплотнения;
- сильфонные уплотнения;
- торцевые механические уплотнения;
- торцевые газовые уплотнения;
- герметик;
- прокладки из различных материалов;
- кольца из эластичного материала ;
- уплотнительные шайбы;
- пробки;
- применение конусной резьбы;
- контактные уплотнения;
-
Неподвижные уплотнительные устройства
Подвижные уплотнительные устройства
У
пл от ни те ль ны е ус тр ой ст ва
Рис. 7.2. Типы уплотнительных устройств
Перечисленные выше факторы необходимо учитывать при вы- боре уплотнительного устройства на стадии конструирования узлов трения.
7.2. Технологические методы обеспечения
износостойкости узлов трения
Существующие технологические методы обеспечения износо- стойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на не- сколько групп: механические, химико-термические, нанесение изно- состойких покрытий, наплавка и др. Применение этих методов вы- звано стремлением повысить эксплуатационные качества деталей машин. Технологические методы повышения долговечности и изно- состойкости трущихся деталей приведены на рисунке 7.3.
Рассмотрим некоторые основные технологические методы.

138
- создание при обработке шероховатостей, максимально приближенных к оптимальной;
- создание при обработке соответствующего направления неровностей;
- создание упрочненного (наклепанного) слоя с остаточными напряжениями сжатия;
- хромирование ;
- железнение;
- никелирование;
- оксидирование;
- газовая наплавка;
- электродуговая наплавка;
- электрошлаковая наплавка;
- вибродуговая наплавка;
- металлизация (газовая, электрическая, плазменная);
- поверхностная закалка;
- цементация;
- азотирование;
- цианирование;
- борирование;
- сульфатирование;
- сульфоцианирование;
- теллурирование;
- обработка в подистокадмиевой ванне;
Обработка резанием
- обработка дробью;
- дробеабразивная обработка;
- центробежная обработка;
- накатывание роликами;
- вибрационное накатывание;
- накатывание шариками;
- поверхностное раскатывание;
- упрочнение чеканкой;
- виброударная обкатка;
- голтовка;
- вибрационная голтовка;
- ультразвуковая упрочняющая обработка;
- алмазное выглаживание;
- электромеханическое упрочнение;
Обработка поверхности пластическим деформированием
Термическая и химико- термическая обработка
Нанесение износостойких покрытий
Наплавка поверхностей
- высокоскоростное газопламенное напыление;
- плазменное напыление;
- электродуговая металлизация;
- детонационное напыление;
- газопламенное напыление;
- напыление с оплавлением;
Напыление поверхностей
Рис. 7.3. Технологические методы повышения
износостойкости узлов трения

139
7.2.1. Обработка резанием
Процесс резания – сложный физический процесс, сопровож- дающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изна- шиванием режущего инструмента и наростообразованием на резце. В зависимости от метода обработки изменяется расположение и форма неровностей. Направление неровностей влияет на износостойкость поверхности, определенность посадок, прочность прессовых соеди- нений. Например, при совпадении направления скольжения с направ- лением неровностей обеих деталей происходит снижение изнашива- ния. На рисунке 7.4 представлены некоторые виды расположения не- ровностей в зависимости от способа обработки. Типы расположения неровностей регламентирует ГОСТ 2789-73.
Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями. Режу- щий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и по- верхностный слой обрабатываемого материала.
Под действием деформации поверхностный слой упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, происхо- дит наклеп обрабатываемой поверхности. Этот вид упрочнения по- верхностного слоя характеризуется тремя показателями: глубиной, степенью и градиентом.
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 7.4. Расположение неровностей: а – точение, растачивание, сверление,
зенкерование, развертывание; б – строгание; в – цилиндрическое резерование;
г – торцовое фрезерование; д – доводка свободным абразивом; е – шлифование;
ж - протягивание; з – суперфиниширование
д е ж з
а б в г

140
В результате деформационного упрочнения поверхностного слоя микротвердость его возрастает по сравнению с исходной: у алюминия на 90…100 %; латуни – 60…70 %; мягкой конструкцион- ной стали на 40…50 %; твердой конструкционной стали на 20…30 %.
Глубина деформации поверхностного слоя зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких милли- метров. Например, глубина наклепанного слоя у сталей средней твер- дости составляет при черновой обработке резцом 0,4…0,5 мм, чисто- вой обработке резцом – 0,07…0,09, шлифовании – 0,04…0,06, поли- ровании 0,02…0,04 мм. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый ме- талл, тем большему наклепу он подвергается. Например, стали аусте- нитного класса наклепываются значительно сильнее, чем конструк- ционные. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали.
На степень упрочнения и глубину наклепа оказывают влияние режимы резания, геометрия режущего инструмента, степень его зату- пления, т.е. факторы, определяющие протекание пластической де- формации в зоне резания.
Увеличение скорости резания способствует уменьшению глуби- ны и степени наклепа, а подачи и глубины резания – их увеличению.
Глубина наклепа примерно в 2…3 раза больше при работе затуплен- ным режущим инструментом, чем при работе острозаточенным.
Смазочно-охлаждающие жидкости при резании уменьшают глу- бину и степень упрочнения поверхностного слоя.
Кроме перечисленных выше факторов на наклеп влияет измене- ние переднего и заднего углов (изменение характеристик наклепа на
20 %). Увеличение износа инструментов, особенно задней поверхности, вызывает значительное увеличение глубины наклепанного слоя
(на 200…250 %), степень наклепа при этом увеличивается в 1,3…2 раза.
7.2.2. Обработка поверхности пластическим деформированием
Для повышения долговечности и износостойкости узлов трения различного назначения широко используются методы упрочнения
поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Упрочнение выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в поверхностном слое напряжений сжатия, а также регламентирован- ного микрорельефа.

141
Упрочняющую обработку ППД применяют на финишных опе- рациях технологического процесса, вместо или после термообработ- ки, и часто вместо абразивной или отделочной обработки.
В зависимости от назначения метода и пластических деформа- ций обработку ППД можно разделить на три класса.
1. Отделочно-упрочняющая обработка ППД (накатывание, обка- тывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамиче- ское упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин).
2. Формообразующая ППД (накатывание зубьев, шлицев, резьб, фасонных поверхностей).
3. Отделочно-упрочняющая обработка ППД (калибрование на- ружных и внутренних поверхностей вращения и дорнование).
Как описывалось выше, ППД, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание поверхностного слоя с заданным комплексом свойств, называют наклепом. В результате на- клепа повышаются характеристики сопротивления металла деформа- ции, понижается пластичность и увеличивается твердость.
Упрочнение незакаленной стали происходит за счет структур- ных изменений и изменений структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и наведением микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, кроме этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбид- ных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен.

142
Отжиг и нормализация. Отжиг заключается в нагреве стали выше критической температуры, выдержке при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью). В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали, различают следую- щие виды отжига: диффузионный, полный, неполный. Отжиг способ- ствует снижению внутренних напряжений; измельчению зерна; при- дает стали пластичность перед последующей обработкой; приводит структуру в равновесное состояние.
При изотермическом отжиге конструкционную сталь нагревают до температуры на 30...50°С выше верхней критической точки (для полного превращения структуры стали в аустенит) и последующем медленном охлаждении до 500…600°С (для образования феррита и перлита). Скорость охлаждения для углеродистых сталей около
50…100 °С/ч. Если охлаждение ведется на воздухе, то происходит нормализация.
Нормализацией стали называется нагрев, выдержка и после- дующее охлаждение на воздухе. После нормализации углеродистые стали имеют исходную структуру. Нормализация применяется для устранения крупнозернистой структуры, выравнивания механических свойств. После нормализации твердость и прочность стали будут выше, чем при отжиге.
Закалка и отпуск.Наиболее распространенным видом упроч- няющей термической обработки средне- и высокоуглеродистых ста- лей является закалка с последующим отпуском. Поверхностная закалка применяется с целью получения высокой твердости в по- верхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины. Она со- стоит из двух операций: нагрева поверхностного слоя и быстрого его охлаждения.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего исполь- зуют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения ох- лаждающей способности применяют также масла, расплавленные со- ли и металлы. По способу нагрева различают следующие методы по- верхностной закалки: высокочастотная, контактная, плазменная, при нагреве в электролите, лазерная.
Газоплазменная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура ко- торого составляет 2400...3150°С. При этом поверхность изделия бы- стро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного

143 слоя. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость достигает
НRС 50...56.
Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод по- верхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также окисления поверхности изделия. Сущность спосо- ба состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), кото- рые нагревают металл до нужной температуры.
Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько вы- ше, чем твердость получаемая при обычной закалке. Закалку с ис- пользованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость.
В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером. Этот вид закалки отличается вы- сокой эффективностью. Лазерное излучение в инфракрасном диапа- зоне, сфокусированное в пятно диаметром порядка десятка микро- метров, совершает пилообразное движение (сканирование) по по- верхности детали, покрывая весь выделенный под закалку участок.
Скорость нагрева микрообъемов детали, взаимодействующих с лу- чом, и последующего охлаждения достигает 106 К/с. Это обеспечива- ет закалку поверхностного слоя, глубина которого регулируется за счет изменения скорости сканирования. Лазерная закалка обеспечи- вает получение однородной мелкокристаллической поверхностной структуры, обладающей повышенной твердостью и износостойко- стью. После термообработки лазерным лучом не происходит короб- ление элементов рельефа детали, не наблюдается заметное ухудше- ние качества поверхности. Из-за высокой стоимости процесса лазер- ной закалке подвергаются самые дорогостоящие и ответственные де- тали, например, коленвалы двигателей внутреннего сгорания.
Эффективным методом повышения износостойкости деталей является лазерное легирование с одновременной закалкой поверхно- стного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается тон- ким слоем вещества, содержащего легирующие элементы. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую ре- шетку материала детали, тем самым повышая ее износостойкость.
К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.