Методы поверхностного упрочнения и модификации поверхностей трения.

1) Химико-термическая обработка (ХТО)

Целью ХТО является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов. Поверхность может быть подвергнута закалке, когда поверхностный слой приобретает высокую твердость (до 60 единиц по шкале Роквелла и более). К ХТО относят: цементирование, азотирование, борирование, насыщение хромом, никелем, цианирование (насыщение одновременно азотом и углеродом), борохромирование (одновременное насыщение бором и хромом). Так, например, цементация осуществляется в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах. В качестве твердого карбюризатора используется древесный уголь. Процесс протекает медленно: скорость науглероживания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до 950-980С, процесс существенно ускоряется.

Азотированию подвергаются стальные детали при более низкой, чем при цементирова-нии, температуре: 520-560 С. 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. В результате азотирования детали обретают 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 500-600С (что весьма важно для ДВС), в то время как при нагреве цементированной поверхности выше 225-275 С, твердость ее, а следовательно, и износостойкость снижаются. Недостатками метода являются увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.

2) Поверхностная закалка

Эта операция сопровождает химико-термическую обработку, а также имеет и самостоя-тельное значение - она применяется для образования твердого износостойкого слоя на по-верхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов. Ей предше-ствует объемная термообработка: нормализация или объемная закалка и высокий отпуск. Поверхностная закалка 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 обра-зующаяся теплота. Поверхностный слой разогревается до температуры закалки за очень ко-роткое 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.

3) Электрохимические покрытия

В современной технологии широко используется метод электролиза. Чаще всего приме-няются электролитическое хромирование, серебрение, нанесение покрытия из олова, свинца, цинка, индия и сплавов легкоплавких металлов. Вещества могут наноситься и как рабочие слои, и как элементы многослойных покрытий.

Ведущим методом является хромирование с целью повышения износостойкости. Хром обладает высокой твердостью, хорошим сцеплением со сталью и высокой химической стой-костью. Все элементы подшипников качения подвергаются хромированию. Для повышения тепло- и кислотостойкости покрытие обрабатывается парами бензина при температуре около 1000 С. 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.

4) 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 возрастает за счет термообработки покрытия.

Значительное место в технологии повышения износостойкости занимают ок-сидирование 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.Фосфатирование - формирование пленки из нерастворимых фосфорнокислых солей. Пленка формируется при температуре около 100С в среде раствора. Толщина пленки достигает 50 мкм (при этом размеры детали меняются слабо), она прочно сцеплена с основой, жаростойка (до 600 С), устойчива к воздействию кислот, содержащихся в смазке, имеет низкую твердость и высокую пористость. Пленка пропитывается маслом, содержащим твердосмазочные добавки, и хорошо защищает детали от задира.

5) Механотермическая обработка

Метод заключается в том, что защитный слой кристаллизуется из расплава в стесненных условиях под нагрузкой. При этом в нем отсутствуют полости и сквозные поры, основной металл практически не подплавляется и не попадает в наплавляемый слой, который надежно соединяется с основой. Используют две технологические схемы: фрикционное и электроконтактное формование. Первая технологическая схема включает в себя прижатие с определенным усилием к поверхности детали сухарей из материала будущего покрытия.

При электроконтактном формировании тепло выделяется в результате прохождения электрического тока через обладающий большим сопротивлением гранулированный материал, прижимаемый с заданным давлением к поверхности детали.

6) Наплавка износостойких слоев

Это один из наиболее распространенных способов восстановления изношенных деталей автотранспортных средств. Разнообразные методы наплавки различаются источниками теп-ловой энергии, способами защиты наплавляемого металла, уровнем автоматизации.

7) 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 распла-ва, то при столкновении с поверхностью они деформируются и прочно прикрепляются к де-тали. Существуют две разновидности такой технологии: газоплазменное напыление и элек-трическое напыление. При газоплазменном методе тепло выделяется в результате сжигания смеси горючего газа с кислородом, при электрическом методе источником тепла является электрическая дуга. Для газопламенного напыления в кустарных условиях производства ис-пользуют обычные газовые горелки, обеспечивающие плавление и разбрызгивание материа-ла проволоки, подаваемой в зону факела. В качестве источника высокотемпературной и ско-ростной струи удобно использовать плазмотрон (принцип действия которого описан выше). 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.

8) Ионно-плазменные методы

Данные методы весьма эффективны, но их применение требует высокого разрежения (они осуществляются в вакуумных камерах), поэтому они достаточно дорогостоящие и при-меняются 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.

9) Плакирование

Метод создания толстослойных покрытий применяется при изготовлении деталей или при восстановлении их формы после изнашивания. При этом толщина слоя может составлять несколько миллиметров. Плакирование также используется при изготовлении элементов скользящих электрических контактов в целях экономии дорогостоящих материалов с высокой электропроводностью, например, серебра.

Толстослойные покрытия часто наносятся методом прокатки. Сцепление слоев осу-ществляется за счет диффузии, стимулируемой высокой температурой.

10) Механическое упрочнение поверхностей

Привлекают простота и дешевизна этого метода. Здесь используется явление значитель-ного 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).

11) Электролитическоеосталивание изношенных деталей

Процесс осталивания производится на переменном токе, при этом снижены температура и концентрация электролитов, что делает процесс экологически безопасным. Высокая производительность и возможность нанесения легированного металла, обеспечивают высокую работоспособность восстановленного слоя металла.