Сен 30, 2022
Для придания поверхностям деталей специальных свойств могут применяться различные технологические методы [1, 2].
Широкие возможности и целесообразность применения этих методов определяются не только условиями обеспечения производительности, но и необходимостью создания поверхностей деталей арматуры с оптимальными физико-химическими и физико-механическими свойствами [3, 4, 5].
Специальные методы обеспечивают в основном оптимальную микрогеометрию поверхности.
Вибрационное обкатывание в отличие от распространенных методов обработки поверхностей имеет две особенности: во-первых, микрорельеф создается не в результате резания, а за счет вдавливания, что существенно влияет на форму неровностей; во-вторых, рисунок микрорельефа регламентируется, т.е. на поверхности деталей создается регулярная, заданной формы система канавок, позволяющая оптимизировать ряд весьма важных параметров, например, площадь контакта соприкасающихся деталей (шпинделя и сальниковой набивки), маслоемкость трущихся поверхностей (деталей привода).
Для практического использования предложено несколько видов микрорельефов: с несоприкасающимися, касающимися и пересекающимися канавками. Для создания большей герметичности резинометаллических уплотнений рекомендуется третий вид, а надежности — микрорельеф, соответствующий траектории взаимного перемещения деталей [6].
Применение вибрационного обкатывания позволяет резко сократить время приработки трущихся пар, увеличить их контактную жесткость, существенно повысить герметичность и износоустойчивость уплотнений, тем самым повысить показатели назначения и надежности арматуры. Кроме того, виброобкатывание плоских поверхностей позволяет получить (при соответствующем режиме обработки) свыше 100 пятен (волн) на площади 25х25 мм2 вместо 25...30 после шабрения. В результате контактная жесткость повышается в 2—3 раза, а износоустойчивость — в 4 раза.
Применение инструментов из алмазов и эльбора также позволяет создавать поверхности деталей арматуры с оптимальной микрогеометрией. Например, замена шлифования абразивным инструментом на шлифование кругами из эльбора приводит к четырехкратному возрастанию контактной жесткости. Хонингование алмазными брусками позволяет в 1,5—2 раза увеличить опорную площадь и радиусы закругления вершин по сравнению с хонингованием абразивными брусками.
Электрофизические и электрохимические методы обработки позволяют изменять в нужном направлении физико-механические и химические свойства поверхностного слоя деталей арматуры для повышения износостойкости, твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и т.д. Эти процессы осуществляются практически без силового воздействия, обеспечивая минимальную шероховатость поверхности со скругленными вершинами микронеровностей, тем самым увеличивается опорная поверхность.
Методы упрочняющей обработки поверхностей в основном предназначены для улучшения физико-механических свойств поверхностного слоя деталей арматуры.
Дробеструйное деформационное упрочнение наибольшее распространение получило для упрочнения рабочих поверхностей деталей арматуры сложной формы, в результате чего в слое создаются значительные сжимающие напряжения, повышается твердость поверхностного слоя, шероховатость поверхностей уменьшается. Срок службы, например пружин, повышается в 1,5—2 раза.
Такая обработка эффективна для деталей арматуры, работающих при температуре не выше 400 °С, так как более высокие температуры приводят к явлениям, устраняющим эффект упрочнения. Недостатком дробеструйной обработки является невозможность получения на мягких материалах Ra меньше 10...5 мкм.
Чеканка применяется для упрочнения галтелей шпинделей, сварных швов арматуры.
Обкатывание роликами и шариками применяют для отделки и упрочнения деталей арматуры в тех случаях, когда одновременно с повышением сопротивления усталости деталей нужно сохранить или уменьшить шероховатость поверхности. Обкатывание роликами после чистовой обработки лезвийным инструментом уменьшает высоту микронеровностей в 2—3 раза и увеличивает несущую поверхность.
Создание при обкатывании в поверхностном слое значительных и легко регулируемых остаточных напряжений сжатия приводит к увеличению предела выносливости деталей. Например, после обкатывания деталей из стали 45 роликами их предел выносливости может быть повышен в 2 раза.
В качестве упрочняющей обработки отверстий применяют их раскатывание роликами (шариками) или дорнование, при этом увеличивается не только прочность детали, но и точность отверстий и одновременно уменьшается шероховатость поверхности.
Обработка стальными щетками — эффективный метод упрочнения детали на глубину 0,04...0,06 мм. При обработке щетками средней жесткости высотные параметры исходной шероховатости уменьшаются в 2—4 раза.
Гидроабразивная обработка повышает эксплуатационные свойства деталей арматуры созданием оптимальной микрогеометрии поверхности и сжимающих остаточных напряжений в тонком поверхностном слое. Однако малая глубина наклепа и трудности определения толщины удаляемого при обработке слоя являются недостатками метода при массовом производстве деталей.
Алмазное выглаживание применяют для обработки деталей арматуры из сталей, цветных металлов и сплавов. Важным преимуществом выглаживания алмазным инструментом является более благоприятная форма микрорельефа. Так, опорная поверхность при той же шероховатости увеличивается в 2—4 раза по сравнению с опорной поверхностью, полученной при операциях шлифования, полирования, суперфиниширования и притирки. Другим преимуществом является отсутствие зон вторичной закалки и вторичного отпуска, что характерно для обработки абразивным инструментом закаленной стали, так как алмаз обладает низким коэффициентом трения и высоким коэффициентом теплопроводности.
Электромеханическая обработка (ЭМО) основана на сочетании термического и силового воздействия на поверхностный слой детали арматуры и применяется для обработки стали и чугуна.
Электромеханическая обработка обеспечивает создание поверхностей с опорной площадью, превышающей эту площадь после абразивного шлифования в 1,5—2 раза, при увеличении контактной жесткости в 2—6 раз. Твердость отдельных марок сталей повышается в 4,5 раза по сравнению с исходной при глубине ее распространения до 0,2... 0,3 мм. Износостойкость нормализованных сталей после ЭМО повышается в 4—10 раз по сравнению с износостойкостью после полирования или шлифования. ЭМО — эффективный способ обработки поверхностей чугунных деталей, при котором достигается Ra = 0,63...0,16 мкм, а глубина упрочненного слоя 0,8 мм при повышении микротвердости в 1,5—2 раза.
Поверхностная закалка применяется для упрочнения деталей арматуры из чугунов и среднеуглеродистых и легированных сталей. Глубину закалки назначают не менее 1,5...2 мм. Нагрев может быть осуществлен газовой горелкой, токами высокой частоты (индукционная закалка) или в электролитах. Наибольшее распространение получила закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), так как она позволяет получить равномерную глубину закаленной зоны.
Вследствие быстрого охлаждения после нагрева в поверхностном слое образуется мартенсит. В результате этого создаются сжимающие остаточные напряжения и резко увеличивается твердость поверхности, а сердцевина детали остается мягкой и пластичной. Такое сочетание свойств сердцевины и поверхностного слоя резко увеличивает выносливость (на 40...100 %) деталей, снижает чувствительность к надрезам, повышает износостойкость деталей за счет высокой твердости и отсутствия обезуглероживания поверхности.
Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя детали арматуры различными химическими элементами и его термической обработке. При данной обработке изменяется не только строение (структура), но и химический состав поверхностного слоя, тем самым изменяя эксплуатационные свойства деталей (повышается твердость, химическая стойкость и др.). Важным также является возникновение в металле после химико-термической обработки остаточных напряжений сжатия.
Азотирование — насыщение поверхностного слоя деталей арматуры азотом с целью повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости. Износостойкость азотированных деталей значительно выше, чем у цементированных. Азотирование применяется для деталей арматуры, работающих в агрессивных средах.
Цианирование и нитроцементация — одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом. Нитроцементация имеет ряд преимуществ перед цементацией: выше износостойкость и предел выносливости деталей арматуры.
Борирование — насыщение поверхности бором, применяется с целью увеличения износостойкости и повышения твердости поверхности, которая у борированных деталей не снижается до температуры 900...950 °С. Такое сочетание свойств позволяет, например, увеличить долговечность технологической оснастки.
Сульфидирование — процессы насыщения поверхностного слоя серой деталей арматуры, применяются для повышения износостойкости трущихся поверхностей в 1,5—5 раз, увеличивая противозадирные свойства и сопротивление металлов схватыванию. Применяются для обработки деталей затворов, штоков, втулок.
Для поверхностного упрочнения деталей применяются также различные виды диффузионной металлизации: алитирование, хромирование, хромоалитирование и др. Внедряются методы комплексного термодиффузионного насыщения поверхностей
детали одновременно несколькими элементами: бороалирирование, боросилицирование, хромоалитирование и др. Последнее, например, повышает надежность и в несколько раз увеличивает долговечность деталей затворов за счет повышения жаростойкости и эрозионной стойкости.
Наплавка металлов с заданными свойствами широко применяется в арматуростроении с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости конструкционных материалов. При наплавке в поверхностном слое создаются, как правило, растягивающие остаточные напряжения и предел выносливости деталей может быть снижен.
Электроискровое легирование — процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. Этот способ привлек внимание технологов в связи со следующими специфическими особенностями [2]:
— материал анода (легирующий материал) может образовывать на поверхности катода (легируемая поверхность) чрезвычайно прочно сцепленный слой покрытия; в этом случае не только отсутствует граница раздела между нанесенным материалом и металлом основы, но и происходит диффузия элементов анода в катод;
— процесс легирования может происходить так, что материал анода не образует покрытия на поверхности катода, а диффузионно обогащает эту поверхность своими составными элементами;
— легирование можно осуществлять в строго указанных местах (радиусом от долей миллиметра и более), не защищая при этом остальную поверхность детали;
— технология очень проста, а необходимая аппаратура малогабаритна и транспортабельна; — почти полностью отсутствует термическое влияние на слои основного металла, расположенные непосредственно под легированным слоем.
Таким образом, электроискровое легирование позволяет изменять в заданном направлении физико-химические и геометрические характеристики поверхностного слоя для придания ему необходимых свойств: повышения износостойкости, повышения твердости, усталостной прочности, уменьшения склонности к схватыванию поверхностей деталей арматуры при трении, повышения коррозионной стойкости, жаростойкости.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Балабанов А.Н. Краткий справочник технолога-машиностроителя М.: Издательство стандартов, 1992. 464 с.
2. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л.: Машиностроение, 1983. 464 с.
3. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник // Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, Н.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1989. 496 с.
4. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.
5. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Справочник. Спб: Плитехника, 1998. 414 с.
6. Гошко А.И. Арматура трубопроводная целевого назначения. Книга 2. Производство. Испытания. Монтаж. М.: Машиностроение, 2003. 336 с.