Лекция 6. ТЕМА 11: методы химико-термического упрочнения поверхностного слоя деталей

Цементация применяется для упрочнения рабочих поверхностей шестерен, валов, осей и др. деталей с целью упрочнения их поверхностного слоя с сохранением мягкой сердцевины.

Азотированная поверхность обладает большей износостойкостью по сравнению с цементованной или цианированной поверхностью, но толщина упрочненного азотированного слоя меньше и поэтому этот слой выдерживает меньшие нагрузки. Азотирование применяется для упрочнения рабочих поверхностей гильз цилиндров, шестерен, штоков, осей и др. деталей.

Цианирование применяется для упрочнения рабочих поверхностей режущего инструмента осей и др. деталей. Процесс токсичен, т.к. проводится в расплавленных цианистых солях.

Борирование применяется для упрочнения рабочих поверхностей режущих инструментов. Метод перспективен для упрочнения деталей из титана, тантала и циркония, жаростойкость которых при температуре 950ºС в 15-30 раз выше, чем без бора.

Силицирование применяется для упрочнения деталей из тугоплавких металлов и сплавов с целью защиты их от окисления при 1300ºС - 1700ºС. По сравнению с алитированием обеспечивает большую пластичность поверхностного слоя, позволяя осуществить даже обработку давлением, гибочные операции, накатку резьбы.

Алитирование применяется для упрочнения лопаток турбины, осей и втулок, работающих при температурах > 700ºС.

Титанирование – перспективный процессдля упрочнения поверхностей, работающих в условиях кавитации и коррозионной среды.

Хромонитридизация - перспективный процессдля упрочнения трущихся поверхностей авиадвигателей, работающих при температурах ~ 700ºС. Износостойкость этих поверхностей значительно выше по сравнению с алитированными поверхностями.

При назначении химико-термических методов упрочнения надо помнить, что они осуществляются при высокой температуре (~ 1000ºС), за исключением азотирования. Поэтому следует учитывать структурные изменения в основном металле и возможное коробление детали из-за релаксации (снятия) остаточных напряжений.
ТЕМА 12. МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ И ХИМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ

№ п/п	Наименование метода нанесения покрытия	Толщина покрытия, мм	Длительность процесса, час.	Температура эксплуатации, ºС	Твердость покрытия	Повышение эксплуата-ционных свойств	Упрочняемые детали
	Гальваническое хромирование	0,01-0,1	До 1	До 250	HV600x10^7Па	Износостой-кость	Трущиеся пов. осей, валов, цапф шестерен, штоков поршней, гильз цилиндров и др.
	Гальваническое кадмирование	0,005	0,2	До 250	HV20x10^7Па	Антифрикци-онность	Трущиеся пов. деталей, работа-ющие в условиях огранич. смазки
	Гальваническое серебрение	0,01	0,2	До 450	HV110x10^7Па	Антифрикци-онность	║
	Химическое никелирование	0,025	0,2	До 450	HV1200x10^7Па (после ТО при 450ºС в течение 2 ч.)	Износостой-кость	║
	Гальваническое покрытие рением	0,05			НВ250	Жаростой-кость, Износостой-кость при высокой температуре, Корроз. стойкость	Перспек-тивно для трущихся пов. деталей, работа-ющих в условиях высокой темпера-туры и без смазки
	Гальваническое покрытие вольфрамо- кобальтовым сплавом	0,1			HV1600x10^7Па	Износостой-кость при высокой температуре, Восстано-вление изнош. пов.	║

Технолог, зная условия эксплуатации и взаимосвязь эксплуатационных свойств и качества поверхностного слоя деталей, назначает методы и режимы обработки детали.

Так, например:

если деталь – высоко нагруженная, работает в условиях высоких температур нагрева и агрессивной среды, то:

- деформация поверхностного слоя и его напряженность должны быть минимальными;

- шероховатость поверхности – в пределах R_a = 0,63…0,16 мкм.

Исходя из этих требований, технолог обязан выбрать соответствующие методы и режимы обработки и их последовательность. Наиболее целесообразно в этом случае применить ЭХО с последующим механическим полированием для снятия на поверхности детали следов растравливания по границам зерен. Деформационные изменения в поверхностном слое при такой обработке будут незначительны.

Если данный технологический вариант невозможно реализовать, то можно обработать деталь обычными методами резания металлическим или абразивным инструментом, предусмотрев термическую обработку готовой детали в вакууме или нейтральной среде (аргон и др.) для снятия деформационного упрочнения поверхностного слоя или хотя бы для снятия остаточных напряжений и частичного снятия упрочнения.

Для удаления наиболее деформированной части поверхностного (толщиной 0,03…0,05 мм), а заодно и уменьшения макронапряжений, можно применить электрополирование.

При температуре нагрева до 500°С в воздушной среде сопротивление усталости сталей и сплавов можно повысить, прежде всего:

а) снижением шероховатости поверхности;

б) применением химико-термической обработки (азотирование, цементирование и др.);

в) применением ППД (обкатка шариком, дробеструйная обработка, виброгалтовка и др.

Примечание: гальваническое и химическое никелирование снижают усталостную прочность деталей; для устранения этого вредного влияния можно применить обработку детали методом ППД (эффективнее всего обработка ППД до и после нанесения покрытия)

При работе в условиях высокой температуры и агрессивной среды:

а) снижением шероховатости поверхности;

б) применением химико-термической обработки;

в) уменьшением деформационного упрочнения поверхностного слоя (степень упрочнения должна быть в пределах 0…2%).

При малых скоростях скольжения трущихся поверхностей и больших давлениях (превышающих предел текучести материала на участках фактического контакта) в условиях граничного трения и высоких температур важным является:

а) повышение твердости трущихся поверхностей поверхностной закалкой;

б) нанесение износостойких покрытий и химико-термическое упрочнение трущихся поверхностей;

в) подбор металлов пар трения, не склонных к взаимному схватыванию;

г) уменьшение деформации поверхностного слоя;

д) обеспечение оптимальной величины шероховатости трущихся поверхностей для конкретных условий работы пары.

При больших скоростях скольжения трущихся поверхностей и жидкой смазке рекомендуется:

а) увеличивать теплоустойчивость металлов пар трения легированием их редкоземельными металлами в сочетании с термообработкой;

б) уменьшать трение применением специальных смазок и различных присадок к ним (графита, химически и физически активных веществ и т.п.);

в) применить обработку ППД, создающую на поверхности детали систему каналов, удерживающую жидкую смазку (виброобкатывание, вибровыглаживание и др.);

г) применение износостойких и антифрикционных покрытий;

д) подбор металлов пар трения, не склонных к взаимному схватыванию.

е) обеспечение оптимальной величины шероховатости трущихся поверхностей для конкретных условий их работы.

Выбор метода защиты поверхностного слоя деталей от окисления и коррозионного разрушения зависит от материала детали и условий эксплуатации (температуры, нагрузки и продолжительности их воздействия, а также от окружающей среды).

Для деталей из коррозионно-стойких конструкционных материалов, работающих без покрытий в воздушной или агрессивной среде, необходимо обеспечивать:

а) шероховатость поверхности – в пределах R_a = 0,63…0,16 мкм

б) нанесение защитных покрытий, (применение защитных покрытий является наиболее эффективным направлением повышения сопротивления коррозии поверхностей);

в) степень деформации поверхностного слоя, тем меньше, чем агрессивнее среда и выше температура.

Для деталей, работающих при комнатной температуре в воздушной или другой среде:

а) нанесение защитных покрытий электролитическим, химическим или химико-термическим методом (никелирование, хромирование, алитирование, борирование и др.);

б) нанесение лакокрасочных покрытий.

Для деталей, работающих в агрессивных газовых средах:

а) нанесение защитных покрытий химико-термическим методом (никелирование, алитирование, и др.);

б) напыление металлов, сплавов и керамики;

в) лакирование.

Фреттинг-коррозия является основным фактором, определяющим работоспособность неподвижных соединений, работающих в условиях циклического нагружения.

Условиями возникновения фреттинг-коррозии являются:

- значительные контактные давления;

- малые относительные перемещения контактирующих поверхностей (десятые и сотые доли миллиметра) циклического характера;

- отсутствие возможности удаления продуктов износа из зоны контакта;

- вибрации.

Эти условия являются типичными для напряженных гладких и шлицевых соединений, подвергающихся совместным циклическим деформациям под действием импульсных нагрузок и вибраций.

К таким соединениям в авиационном двигателе относятся торцевые шлицевые соединения дисков компрессора, шлицевые соединения валов, замки лопаток и др.

Исходная шероховатость при фреттинг-коррозии резко увеличивается, в поверхностном слое детали образуются каверны и оспины. На поверхности контакта появляются характерные следы абразивного износа, образованные в результате воздействия дисперсных окисленных частиц высокой твердости.

Процесс износа при фреттинг-коррозии отличается высокой скоростью и интенсивностью. При этом значительно снижается усталостная прочность деталей.

Для деталей, работающих при фреттинг-коррозии, необходимо подобрать материалы, используя различные методы упрочнения.

Эрозия является основным фактором, определяющим работоспособность деталей, работающих в условиях воздействия потока пыли, песка или каких-либо других частиц. Эрозионное разрушение происходит постепенно и легко обнаруживается при эксплуатации. Неравномерность скоростей и давлений потока в различных точках поверхности детали приводит к большой неравномерности пластической деформации, эрозионному разрушению и износу. В результате рельеф поверхности, например, пера лопатки в различных сечениях изменяется не равномерно. А при высоких температурах возрастает агрессивность потока, интенсифицируются процессы окисления, способствующие ускорению износа, образованию эрозионных питтингов и зарождению на поверхности лопаток микротрещин.

Для повышения эрозионной стойкости деталей может быть применено химико-термическое упрочнение, нанесение соответствующих покрытий.

Жаростойкость (окалиностойкость) может существенно быть повышена нанесением на рабочую поверхность детали металлических и не металлических покрытий (жаростойких, термобпрьерных), а также химико-термическим упрочнением.

Дата добавления: 2014-01-07