Диссертация написанное для получения академической степени магистра PhD. доц. У. Н. Рузиев Ташкент 2022

1.3. Технология поверхностного упрочнения композиций

В настоящее время разработаны и применяются разнообразныеспособы повышения долговечности, износостойкости деталей машин наэтапе получения отливок или их последующей обработки. Их условноможно разбить на основные группы:

- способы повышения износостойкости готовых отливок – термическая и химико-термическая обработка [66-70], наплавка [66, 71, 72], напыление [66, 73-75];
- способы формирования износостойких зон, слоев, покрытий непосредственно в процессе получения отливок – поверхностное легирование [66, 76, 77], поверхностное армирование [66, 77-79], биметаллическое литье [5, 6].
Среди способов термической обработки следует,в первую очередь, остановиться на методах поверхностной закалки [66-70]. Эти способы эффективны только для средне- и высокоуглеродистыхсталей. Нагрев до температуры закалки может осуществляться газовыми горелками [66-68] и токами высокой частоты-закалка ТВЧ [66, 70] - с последующим охлаждением для получения однородного слоя с постепенным изменением твердости до глубины 3-5 мм.
Под руководством проф. А.А. Мухамедова разработана технология термической обработки, направленная на максимальное использование потенциальных возможностей углеродистых и легированных сталей[66, 80]. Оптимизация режимов термической обработки привела к повышению стойкости исследованных сталей при абразивном изнашивании,при трении скольжения и при трении качения [66, 80].
Недостатком данных способов является возможность их применения только для средне- и высокоуглеродистых и легированных сталейи к тому же эффект повышения стойкости невелик - абразивная износостойкость повышается в 1,25-1,30 раз.
Химико-термическая обработка позволяет изменять химическийи
фазовый состав поверхностного слоя за счет диффузионного насыщенияего одним или несколькими элементами [66, 68]. Химико-термическая обработка обеспечивает повышение износостойкости, главным образом,благодаря повышению твердости поверхностного слоя при насыщенииуглеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом(цианирование), бором (борирование) и другими [66, 68].
Недостатками химико-термической обработки поверхностидеталей являются высокая трудоемкость и энергоемкость процессасоздания упроч-ненного слоя.
В машиностроении для повышения износостойкости рабочих поверх-ностей деталей широко применяется наплавка. Имеется разнообразный ассортимент наплавочных материалов [66, 71]. Наибольшее распространение среди них получили сплавы на основе железа[71, 72]. Процесс наплавки отличается высокой скоростьюрасплавления и застывания расплава, интенсивным протеканием химических и термохимических процессов. Толщина наплавленного слояустанавливается в зависимости от условий работы деталей и глубиныизноса в пределах 1,5-4,0 мм.
В результате применения указанной выше технологии высокая трудоемкость и энергоемкость процессов наплавки, низкое качество поверхности покрытия, а также возможностьобразования газовых раковин, пор, шлаковых включений, трещин идругих дефектов снижают эффективность и широкое ее использование.
Процесс напыления рабочих поверхностей деталей состоит в нанесении с помощью сжатого воздуха или газа расплавленных износоустойчивых материалов [66, 72, 73].Напыленный слой формируется из измельчавших капелек металла, расплавленных с помощью электричества,газа или плазмы [66, 72, 75]. Перед напылением поверхности деталиподвергают специальной обработке для придания им шероховатости с целью обеспечения прочного сцепления покрытия с обрабатываемой поверхностью. Толщина напыленного слоя составляет только 0,5...1,5 мм, во избежание появления трещин и отслаивания из-за высокого уровня внутренних остаточных напряжений [66, 72, 75].
Приведенный выше способ повышения износостойкостиповерхности деталеймашин является нецелесообразным для случая сопряженных поверхностей, контактирующих со свободной абразивной средой из-за высокойтрудоемкости и энергоемкости и низкой эффективности.
Оценивая в целом способы первой группы, надо отметить, чтообщими недостатками для них являются:
- необходимость организациии осуществления полного самостоятельного цикла технологическогопроцесса формирования износостойкого покрытия;
- глубинаупрочненной зоны в большинстве вариантов, кроме наплавки, неудовлетворяет требованиям по этому параметру для инструментов,работающих в условиях интенсивного износа,например,рабочиеорганы сельхозмашин.
В связи с указанным выше способы второй группы более предпочтительны, т.к. они основаны на технических приемах получения износостойкихпокрытий непосредственно в процессе получения отливок [66, 76, 77, 81].Среди них следует выделить три направления:
а) армирование твердыми сплавами [66, 77, 78] стальныхотливок, работающихв условиях интенсивного абразивного износа позволяет повысить срок их службы в 1,5-10 раз. Для этого твердосплавныевставки размещают в форме перед ее заполнением жидким металлом.При заливке расплава образуется соединение между вставками и литойосновой или же они механически защемляются в ней, что обеспечиваетповышение долговечности деталей.
Важным являетсяопределение оптимальных технологических пара-метров процесса, которыемогли бы обеспечить надежное и работоспособное соединение междувставкой и корпусом отливки;
б)получение биметаллических отливок предполагает полное иличастичное проплавление вставок из износостойкого материала, размещенного на рабочей поверхности отливки, в процессе ее кристаллизации [5, 66,77, 79]: при контакте с расплавом происходит проникновение расплава и частичное оплавление частиц вставок с образованиемединой биметаллической композиции.
Известен и другой вариант получения биметаллических отливок сизносостойкой рабочей поверхностью [5, 6, 66, 70], по которому готовят пористые металлокерамические вставки с уровнем пористости до 60% отобъема. Металлокерамические пористые вставки могут быть изготовлены по разным технологиям [66, 69 - 72]. Размещенные в форму, как правило, предварительно подогретую перед заливкой, они при контактес расплавом заполняются по капиллярам металлом, формируя компактную отливку,с частичным проплавлением стенок капилляров в процессе заливки и пропитки;
в) для получения слоя значительной глубины и с нужнымисвойствами целесообразно применять метод поверхностного легирования отливок [66, 76-78,81-83]. Суть поверхностного легирования состоит в том, что жидкий металл, заполняющий форму, соприкасается со средой (твердой, жидкой и газообразной), в результате чего происходит взаимодействие между кристаллизующимся расплавом и покрытием, что способствуют насыщению поверхности отливки элементамииз этой среды.
Из рассмотренных методов наиболее перспективен метод биметаллических и поверхностно-легированных отливок, что обусловленобесспорными преимуществами по сравнению с другими способамиповышения износостойкости отливок по конечным результатам. Крометого, оба методабиметаллических и поверхностно-легированных способов отливок технологически проще и экономически эффективнее. Для нанесения на форму слоя обмазки, содержащей легирующие элементы, порошкообразный легирующий состав перемешивается со связующим агентом до достижения сметанообразного состояния, с последующим нанесением на стенки формы перед ее заполнением жидким металлом.
Именно поэтому разработка научных основ формирования и технологии получения многослойных слоистых композиций путем литья с целью повышения износостойкости сопряженных поверхностей деталей и инструментов является весьма перспективным направлением и положена в основу данной работы.