Технологічні методи підвищення зносостійкості

Конструктор зазвичай користується міркуваннями найкращих способів забезпечення функціональних можливостей машини, вибираючи матеріал деталі і її розміри  відповідно до розрахунку на міцність, її дизайном і не завжди приймає  до уваги особливості зношування і характеристики здатності матеріалу до опору зношуванню, що обумовлює можливе збільшення терміну служби швидкозношуваних деталей за рахунок їх раціонального конструювання.

Зносостійких матеріалів розроблено багато. Головні вимоги, які закладалися їх розробниками, зводилися до того, щоб забезпечити отримання металу найбільшої твердості. При цьому до складу сплаву вводилися легуючі елементи в великій кількості. Загальний вміст легуючих елементів в сплаві досягало до 60%.Природно, що далеко не у всіх випадках використовувалися великі потенційні можливості, закладені в сплав таким легуванням.

ПІДВИЩЕННЯ  ЗНОСОСТІЙКОСТІ МЕТОДАМИ ТЕРМІЧНОЇ  І ХІМІКО-ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ.

Зношується, як правило, поверхнева зона металу. В деяких випадках, коли незначні зміни геометричних розмірів деталі призводять до виходу з ладу всього вузла або машини, величина зносу складає всього лише кілька мікрометрів. У зв'язку з цим необхідно зміцнення тільки поверхневих шарів. Одним із способів, який може в деяких випадках вирішити таке завдання, є термічна обробка поверхневих шарів методами Т.В.Ч. або хіміко-термічна обробка.

Поверхнева гартування з нагріванням струмами високої  частоти досить поширений метод  зміцнення, при якому в поверхневому шарі реалізується класична схема гарту, заснована на перетворенні аустеніту в мартенсит. Товщина зміцненого шару досягається регулюванням глибини прогріву деталей при рівному по всьому об'єму змісті вуглецю яке повинно перевищувати 0,3%. Максимальна твердість на поверхні за рахунок високої швидкості нагріву і короткочасної витримки на 5-7 НRС вище твердості тих же сталей, загартованих при пічному нагріванні. 
Загартування Т.В.Ч. підвищує зносостійкість зміцненого шару внаслідок утворення в поверхневому шарі напруг стиснення і незначного підвищення твердості. Це досить прогресивний метод допускає застосування автоматизації та механізації виробництва. Однак він не вільний від недоліків тому для його здійснення потрібне спеціальне обладнання - високочастотні генератори, експлуатація яких пов'язана з і великою витратою електроенергії. 
Термічна обробка струмами високої частоти може проводитися на плоских поверхнях або на деталях, які мають форму тіл обертання. При цьому поверхня деталі набуває високу твердість і істотну зносостійкість, а серцевина деталі залишається досить пластичною, здатною сприймати динамічні та знакозмінні навантаження. Застосування гарту ТВЧ обмежується тим, що цей процес ефективний не для будь-яких матеріалів. 
Для підвищення зносостійкості деталей зі сплавів не сприймають гарт найбільш ефективне застосування хіміко-термічної обробки: насичення поверхневого шару стали вуглецем - цементація, азотом - азотування, азотом і вуглецем одночасно - ціанування, бором - борирование, з наступною термічною обробкою за відповідними режимам. При цьому поверхня стали набуває інший склад, що містить дуже тверді включення: карбіди, нітриди, бориди. Структура матриці такого сплаву після термічної обробки ставати в поверхневому шарі і сама досить твердою, і за рахунок включень карбідів, нітридів, боридів, що збільшують ще більш агрегатну твердість внаслідок чого набуває дуже високу зносостійкість, зберігаючи в серцевині необхідну пластичність і отже здатність працювати в різних умовахнавантаження.

Цементацію зазвичай виробляють при 940-960 ° С. Глибина цементованого шару в сталях із вмістом вуглецю 0,10 ... 0,30% досягає 2,5 мм. При цьому вміст вуглецю у поверхні становить 0,8 ... 1,0%. Загартування деталі після насичення з наступним низьким відпусткою при 160 ... 180 ° С забезпечує отримання мартенситних структури поверхневого шару з твердістю на рівні 60 ... 62 НRС. Опірність зношування цементування поверхні порівнянна з опірністю зношуванню заевтектоідних інструментальних сталей.

 Азотування здійснюється з використанням аміаку при температурі 550 ... 650 ° С і тривалості процесу 40 ... 80 годин. По механізму структуроутворення зміцненого шару, глибина якого близько 0,5 мм, є суттєві відмінності від цементації і загартування Т.В.Ч., так як зміцнення в цьому випадку відбувається не за рахунок мартенситного перетворення, а завдяки утворенню нітритів Fe2N, Fе4М, AlN , Сr2N та ін При цьому в подальшій гарту немає необхідності, тому що вона не може вплинути на твердість поверхні деталі.

Азотований шар має  високу стійкість до теплового впливу при експлуатації.Знеміцнення мартенситу гарту і, отже, зниження твердості в сталях перлітного класу починається при температурах 200 ... 250 ° С, у той час як азотований шар зберігає свої властивості навіть при 500 ... 600 ° С, що і зумовлює його високу зносостійкість. Остаточну механічну обробку деталей, виробляють тільки до азотування. Після азотування можливе виконання тільки шліфування, що обумовлюється малою товщиною і високою твердістю азотованого шару.Насичення поверхні деталі бором в твердих, рідких і газових середовищах проводять при температурі 1000 ... 1100 ° С. Зміцнений шар твердістю 1600 ... 2000 НV. Характеризується наявністю стовпчастих кристалів з ромбічними тетрагонами боридами, які дуже стійкі до теплового впливу і зберігають твердість до 800 ° С. Недоліком борованої шару є його крихкість. В умовах абразивного зношування, особливо з ударами борирование менш ефективно, тому що зміцнений шар невеликої товщини (0,1 ... 0,3 мм) продавлюється абразивними частинками, розтріскується і відшаровується.

Тітанірованіє проводиться в порошкових сумішах, розплавах солей електролізним, безелектролізне способом, в паровій фазі та з використанням вакууму, в газових сумішах, а також з місцевим з нагріванням Т.В.Ч. Тітанірованіє при 1100 ... 1250 ° С, забезпечує отримання високої мікротвердості і товщини шару в межах 0,3 ... 0,5 мм.

Недоліками всіх наведених  вище методів, крім цементації і загартування Т.В.Ч. є невелика товщина зміцненого шару і погана його зв'язок зі структурою базового металу. При форсованих режимах експлуатації зміцнений шар швидко зривається з поверхні деталі. Зокрема, борирование намагалися застосовувати для зміцнення пластин пресформ і шарошок бурових доліт, але безуспішно, тому що шар в процесі роботи розтріскувався і відшаровувався .Деякі з наведених вище методів зміцнення не технологічно, виробничий цикл має досить тривалий період, культура виробництва наведених технологій вимагає модернізацію, механізація праці робітників обмежена.

Зносостійке наплавлення.

Наплавлення є потужним засобом економії витрат живої і  матеріалізованої праці в справі підвищення довговічності швидкозношуваних деталей і вузлів устаткування, машин і механізмів. 
Найбільш універсальним, економічним і широко застосовуваним в народному господарстві засобом відновлення і виготовлення деталей машин і механізмів, надання їм спеціальних якостей, які сприяють зростанню зносостійкості, є наплавлення. Цей процес являє собою нанесення на спеціально підготовлену поверхню виготовлених або ремонтуються деталей розплавленого присадочного металу, що утворює з поверхневими шарами основного металу сплав з високими механічними та службовими властивостями. 
Потреба в наплавочних матеріалах в якості покриттів робочих поверхонь швидкозношуваних деталей при їх виготовленні, відновлення та ремонту наростає з кожним роком в усіх галузях промисловості.

Наплавлення стала найбільш важливим і ефективним способом боротьби із зносом. Особливо широко наплавлення застосовується при ремонті і зміцненні нових деталей металургійного устаткування (засипні апарати доменних печей, катки мостових кранів, робочі органи дробарок, піскомету, валки гарячої прокатки, штампи тощо) сільськогосподарської техніки (лемеша плугів, диски борін, культиваторів лапи), дорожніх і будівельних машин (зуби та ковші екскаваторів, деталей бульдозерів, грейдерів, лопатки і броні асфальтозмішувачі та ін) в цегляному, скляному, керамічному виробництвах, виготовлення вогнетривких виробів (пресформи, робочі деталі брикетних пресів), рудомелющіе агрегати, на залізничному транспорті ( колісні пари електровозів і тягових агрегатів, автосцепок тощо), лісопильної промисловості (зуби рамних пив, короснімателі, машини для приготування тріски), робочі поверхні ходової частини машин гусеничного ходу, в автомобільному транспорті (клапани двигунів внутрішнього згоряння), в буровій техніці ( вузли та деталі бурильного обладнання та інструменту, шарошки бурових доліт, поршневі бурові насоси, трубні системи, за якими прокачують рідина або газ з абразивом) і багато чого іншого в інших галузях народного господарства .

Маса сплаву, що наноситься в процесі наплавлення, зазвичай невелика і складає 2-6% маси самої деталі, що визначає високу економічну ефективність наплавлення.Наплавлення дозволяє підвищити зносостійкість деталі в залежності від наплавочного сплаву і умов експлуатації в 2-10 разів, а в деяких випадках і більше, заощадити тисячі тонн сталі (часто високолегованої) знизити трудові витрати і простої при ремонті обладнання. Завдання підвищення зносостійкості і терміну служби деталей машин методом наплавлення зносостійких покриттів стала нагальною для сучасної техніки .

Найчастіше наплавлення  застосовують як відновну операцію початкових форми і розмірів деталі. Наплавочних матеріалів може бути як матеріал зміцнюється деталі, так і інший з більш високими механічними і фізико-хімічними характеристиками. Розвиток цього методу зміцнення зводиться до пошуку більш зносостійких матеріалів, ніж матеріал зміцнюється деталі. В якості наплавочних матеріалів зазвичай використовують леговану сталь. Головні чинники, що регламентують зносостійкість: хімічний склад наплавленого матеріалу, можливість подальшого додаткового зміцнення, структурна стійкість наплавленого шару в умовах температурного впливу при зношуванні.

Зазвичай наплавочні матеріали розрізняють за складом  і властивостями. В США наплавочні матеріали поділяють в залежності від хімічного складу на чотири групи: 1) малолегованої на залізній основі (від 2 до 12% легуючих елементів), 2) високолеговані на залізній основі (від 12 до 50% легуючих елементів); 3 ) матеріали на основі нікелю і кобальту, 4) матеріали, що містять в основному карбіди вольфраму (75% і вище). 
Найбільш поширені зносостійкі наплавочні матеріали включають в себе: аустенітні високомарганцевистої сталі, хромисті стали, карбідні стали класу швидкорізальних, високохромистого чавуни; хромовольфрамовие теплостійкі сталі, кобальтові сплави з хромом і вольфрамом, нікелеві сплави з хромом і бором, нікелеві сплави з молібденом, карбідні спечені сплави і т.д. . Система легування наплавочних матеріалів охоплює великий перелік сполучень: Fе-С-Сr; Fе-С-Мn; Fе-С-W; Fе-С-Сr-Мn; Fе-С-Сr-В; Fе-С-Сr-Ni ; Fе-С-Мо; Fе-С-Сr-Мо; Fе-С-Сr-W; Fе-С-Сr-WV; Fе-С-Сr-W-В і т.д. Основні структурні складові таких сплавів після наплавлення: мартенсит (58 ... 60 НRС); аустеніт (35 ... 40 НRС); перліт (50 НRС); аустеніт і ледебурит (40 ... 50 НRС); ледебурит і карбіди ( 60 ... 63 НRС); сорбіт (50 ... 52 НRС) і т.д. Кількість вуглецю і легуючих елементів в наплавочних сплавах зазвичай коливається в широких межах: С-від 0,3 до 4,8%; Сr - від 2 до 30%; Мn - від 0,5 до 15%; W - від 1 до 18 %; В - від 0,1 до 6%.

Зносостійкість наплавочних  матеріалів істотно залежить від  типу та кількості фази карбіду в  сплавах. Карбіди сприяють також збереженню стійкості початкової структури сплаву при експлуатації, ускладненої підвищеною температурою.Найчастіше упрочняющая фаза в наплавочних сплавах містить карбіди: Fе3С; Мn3С; Сr7С3; W2С; Wс; VС; ТiС; В4С, Мо2С, та ін, а також карбоборіди, нітриди, заліза і легуючих елементів.

У дорожньому будівництві  для приготування бітумомінеральних сумішей широко використовуються двухвалковие змішувачі періодичної дії. До однієї з найбільш швидкозношуваних деталей змішувача відносяться лопатки роторів. Дослідження показали, що більшою зносостійкістю в умовах роботи лопаток асфальтозмішувачі володіють сплави, що мають зміцнюючої фазу у вигляді борідних голок. При цьому в ряді робіт вказується, що максимальний ефект збільшення здатності сплаву до опору абразивному руйнування досягається коли борідние голки розташовані перпендикулярно площині зношування. Орієнтація борідной голки в матриці сплаву залежить від напрямку тепловідведення і збігається з її великою віссю. Таким чином, при розробці технології наплавлення лопаток асфальтозмішувачі необхідно підходити з позицій максимального використання такого важливого резерву, як спрямована кристалізація сплаву, що дозволяє повніше реалізувати потенційні можливості, закладені в даних зносостійких матеріалах.

Втрата маси при випробуванні в умовах малих тисків абразивної середовища незначно залежить від змісту первинних карбідів і евтектики особливо коли вміст вуглецю вище 4,2% .

В роботі відзначається  існування кореляції між кількістю  великих первинних карбідів і  величиною зносу при великих  тисках абразивних тел. Наявність великої кількості карбідів VС і NвС, вторинних карбідів міс, МеС3, а також карбідів, що знаходяться в в'язкої матриці, яка перешкоджає їх викрашування, забезпечує високу зносостійкість наплавленого металу. Оптимізація наплавленого металу системи Fе-С-Мn-Сr-V-Nb-В при наплавленні шнеків шлакових центрифуг забезпечила збільшення зносостійкості в 5-6 разів у порівнянні з електродами марки Т-590 і в 2-3 рази в порівнянні з наплавленнями порошковим дротом ПП-АН170 . 
Величина зносу зростає у міру зменшення розмірів первинних карбідів і збільшення відстані між ними .Мікролегування і модифікування при електрошлакового наплавленні забезпечило високі механічні властивості, гарячу твердість, зносостійкість і термічну витривалість металу типу 100ХНМ і 100СХНМ .

Істотним недоліком  високолегованого наплавленого металу є поява тріщин, як в самому процесі наплавлення, так і при подальшій експлуатації деталі. Освіта тріщин в тонкому поверхневому шарі пов'язано зі збільшенням напруги в результаті фазових перетворень і руйнуванні карбідной евтектики. 
Для стабілізації твердого розчину і зміни карбідной евтектики наплавлений метал модифікували фероніобій ФН-1. Структура металу придбала дрібнозернисту будову з дрібно роздробленою карбідной евтектикой, що виключило появу тріщин в наплавленого металу .

Для відновлення зносостійкого наплавлення зубів ковшів екскаваторів австралійські дослідники рекомендують складні сплави на основі заліза, що містять 5% С; 22% Сr; 7% Nb і 1,0% В, або 5% С; 6% Сr; 7% Тi;, а також карбіди вольфраму в матриці на основі нікелю. Обсяг фази карбіду в таких сплавах досягає 80%.Однак при цьому, як повідомляється в роботі , була досягнута опірність абразивного зношування з поєднанні з високою пластичністю і хорошою здатністю протистояти ударним навантаженням.