книги / Трение и износ деталей машин

пространение получили универсальные установки для испытания материа­ лов на трение и изнашивание типа СМЦ-2 и УМТ-1. Эти установки сходны по конструкции и позволяют моделировать трение и изнашивание всех ос­ новных типов сопряжении в присутствии смазочного материала, в абра­ зивной среде или в условиях трения без смазочного материала.

Рис. 50. Типовые схемы образцов, испытываемых на машинах трения: а - че­ тырехшариковая; б - «Фалекс»; в - «Тимкен»; г - дисковая; д - «палец-диск»; е - «палец-цилиндр» (машина Арчарда); ж - «Алмен»

На этих машинах реализуется по три различных схемы трения за счет установки сменных держателей образцов и контробразцов, что делает эти машины достаточно универсальными (рис. 51).

Обобщенная блок-схема машин трения приведена на рис. 52. Испы­ тательный блок 1 является основным узлом трения и предназначен для формирования и закрепления деталей (образцов) испытываемой пары тре­ ния. Большинство современных машин позволяют проводить испытания образцов различных размеров и по нескольким схемам трения. Для этого испытательный блок имеет необходимые для быстрой переналадки узлы крепления образцов и приспособления для их установки. Испытательный блок должен обладать достаточной жесткостью и обеспечивать точную и надежную установку образцов. В некоторых случаях блок снабжается спе­ циальными устройствами для стабилизации режима испытаний, например температурным устройством, как на машине трения УМТ-1.

В испытательный блок конструктивно входит датчик момента (силы) трения, состоящий из упругого элемента и электрического преобразовате-

45'

е

Рис. 51. Образцы и схемы трения при испытаниях: а - дискдиск, б - диск-колодка, в - вал-втулка, г - кольцо-кольцо, д - диск-палец, е - ролик-барабан

Рис. 52. Блок-схема машины трения

ля сигнала индуктивного, тензорезисторного или другого типа и функцио­ нально являющийся частью системы измерения.

Привод 2 предназначен для сообщения движения одному или не­ скольким образцам, входящим в узел трения, и состоит из электродвигате­ ля и передаточного механизма, кинематика которого определяется харак­ тером относительного движения деталей трущейся пары. Варьирование скорости движения (скольжения в паре трения) в широких пределах до­ стигается применением теристорного электропривода с диапазоном плав­ ного регулирования 1 : 1 0 0 и погрешностью поддержания установленной скорости не более 5 %. Конструкция передаточного механизма обеспечи­ вает плавность движения, без рывков и ударов. С этой целью широко при­ меняются передачи гибкой связью, например зубчатыми ремнями на ма­ шине 2070 СМТ-1.

Узел нагружения 3 обеспечивает создание нормальной нагрузки на образцы. На серийных машинах нагружение осуществляется путем прямо­ го или косвенного приложения нагрузки с помощью рычажно-грузовых, пружинных или пневматических механизмов. Конструкция узла нагруже­ ния должна обеспечивать плавность и стабильность режима нагружения независимо от изменения в процессе испытания момента трения и величи­ ны износа.

Камера 4 служит для проведения испытаний в специальных услови­ ях, например при граничной смазке, при подаче абразива и т.п. В некото­ рых случаях она выполняет также защитную функцию, ограждая операто­ ра от продуктов износа, воздействия шума и других вредных факторов.

Названные узлы машины (привод, узел нагружения, испытательный блок, камера) монтируются на общей станине, снабженной в необходимых случаях виброопорами. Конструкция должна обеспечивать надежную виб­

роизоляцию машины, работающей в условиях интенсивных динамичных нагрузок. Собственно машина трения 5 электрически связана с пультом б, в котором смонтированы блоки управления 7 и измерения 8.

12.2. Динамометрические методы

Важным этапом изучения процессов трения и изнашивания деталей машин является исследование их в лабораторных условиях на испытатель­ ных машинах. К основным параметрам, которые определяются в этих ис­ следованиях, относятся сила и момент трения.

Для измерения силы и момента трения разработано много различных методов. Наиболее часто применяется метод, основанный на принципе ув­ лечения неподвижного образца подвижным с силой, пропорциональной величине момента трения. При этом момент вращения неподвижного об­ разца сначала преобразуется в перемещение, которое воспринимается дат­ чиком, а затем в определенный выходной сигнал. В датчике восприни­ мающим органом является упругий элемент. По величине перемещения этого элемента судят о величине силы и момента трения, пропорциональ­ ных воспринимаемому усилию.

Большое распространение получила схема, в которой в качестве дат­ чиков применены динамометры различных конструкций. Познакомимся с некоторыми конструкциями установок, снабженных динамометрами.

В установке Хонда и Ямада применен пружинный динамометр (на рис. 53). Исследуемый цилиндрический образец 2 прижимается грузом 3 к вращающемуся диску 1. С образцом жестко соединена тележка 4, которая перемещается на роликах по прямолинейным пазам столика 5, жестко свя­ занного со станиной. Перемещение тележки вызывается силой трения, действующей на образец. Это перемещение передается на пружинный ди­ намометр б, связанный с тележкой тросиком, перекинутым через ролик. Сила трения регистрируется на барабане 7, который вращается часовым механизмом.

13. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

13.1. Термическая и химико-термическая обработка поверхностей

Для образования твердого износостойкого слоя на трущихся поверх­ ностях деталей, изготовленных из средне- и высокоуглеродистых сталей, ковкого, серого и высокопрочного чугуна, применяется поверхностная за­ калка. Глубина закалки составляет 1,2-2, 0 мм. Повышение твердости про­ исходит за счет структурно-фазовых превращений в процессе охлаждения.

Поверхностная закалка может вестись при нагреве детали газовым пламенем и токами высокой частоты (ТВЧ). Закалка с нагревом газовым пламенем применяется для поверхностного упрочнения крупных стальных изделий.

Закалка токами высокой частоты может осуществляться как еди­ новременно (нагревается сразу вся поверхность, подлежащая закалке), так и непрерывно-последовательно (нагревается и охлаждается последова­ тельно один участок поверхности за другим). Достоинства закалки ТВЧ за­ ключаются в высокой производительности и хорошем качестве, возможно­ сти автоматизации процесса закалки.

Химико-термическая обработка обеспечивает улучшение триботех­ нических свойств поверхностного слоя деталей за счет диффузионного на­ сыщения химическими элементами или соединениями химически актив­ ных элементов с последующей закалкой и отпуском. Химико-термическая обработка производится в твердых, жидких и газовых средах.

Цементация применяется для обработки низкоуглеродистой нелеги­ рованной и легированной стали с содержанием 0,08-0,30 % углерода. Кон­ центрация углерода в поверхностном слое толщиной 0,15-2,0 мм после цементации составляет 0,8-1,0 %. Твердость поверхности после цемента­ ции, закалки и низкого отпуска находится в пределах HRC 58-64.

После термообработки цементованный слой имеет структуру иголь­ чатого мартенсита с мелкими глобулями карбидов и небольшим количест­ вом остаточного мартенсита. Эта структура отличается высокой износо­ стойкостью.

Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя стали азо­ том при нагреве ее в среде аммиака (NH3). Глубина азотированного слоя ко­ леблется в пределах 0,25-0,65 мм. Температура азотирования 500-520 °С. Азот, внедряясь в поверхность деталей, взаимодействует с железом с обра­ зованием нитридов (Fe2 , Fe4N).

Азотированию подвергаются изделия, прошедшие термическую об­ работку (закалку с высоким отпуском) и обработку резанием. Азотирова­

ние повышает твердость поверхностного слоя деталей, износо- и тепло­ стойкость, а также коррозионную стойкость.

Цианирование (нитроцементация) - процесс одновременного насы­ щения поверхности стального изделия азотом и углеродом. Цианированию подвергают детали из сталей, содержащих 0,2-0,4 % углерода. Процесс осуществляется в специальной ванне с расплавом солей, состоящим из 2 0 - 25 % NaCN, остальное - NaCl и ЫагСОз при температуре 820-960 °С. Об­ разующийся при нагреве атомарный азот и углерод диффундируют в сталь, поверхность детали насыщается азотом (до 1-2 %) и углеродом (до 0,7 %). Твердость закаленного слоя глубиной 0,15-1,0 мм составляет HR.C 52-60. Износостойкость поверхности после цианирования более высокая, чем по­ сле газовой цементации.

Борирование — процесс насыщения поверхностного слоя бором. Применяется для среднеуглеродистых нелегированных сталей. Борирова­ ние проводят в твердой, жидкой или газообразной средах. Поверхностная твердость стали после борирования и закалки достигает HV 1400-1500, что обеспечивает высокую износостойкость трущихся деталей. Глубина борированного слоя составляет 0,12-0,85 мкм.

13.2. Лазерная обработка

Лазерное излучение представляет собой вынужденное монохромати­ ческое излучение волн широкого диапазона длин - от единиц нанометров до десятков микрометров.

Для получения монохроматического излучения некоторая система атомов, находящаяся в непрерывном состоянии, подвергается действию внешнего источника. Происходит испускание квантов определенной дли­ ны волны. В качестве активных сред для генерации лазерного излучения применяются твердые, жидкие и газообразные среды.

Лазерное излучение фокусируется на определенном участке обраба­ тываемой детали. Малый размер пятна и значительная мощность излуче-

тока излучения.

При прохождении лазерного луча по металлической поверхности по­ следняя быстро нагревается до высокой температуры. Как только луч уй­ дет на другое место, поверхность в результате оттока теплоты в глубь ме­ талла сразу же охлаждается. Получается своеобразная закалка поверхно­ сти.

Особенностью обработки поверхности лучом лазера является ло­ кальность, лазерный луч закаливает поверхность на небольшую глубину, ширина полосы около 1,6 мм. Полосы наносятся на расстоянии 2-3 мм од­

на от другой. Лазерное упрочнение имеет ряд преимуществ перед обычной технологией термообработки:

-отсутствуют деформации обрабатываемых деталей, что обуслов­ лено локальностью термообработки;

-возможна обработка тонких деталей;

-упрочняются локальные объемы деталей в местах повышенного

износа;

-возможно применение для упрочнения деталей сложной геометри­ ческой формы.

13.3. Нанесение износостойких покрытий

Хромирование - процесс нанесения хромового покрытия на поверх­ ность деталей гальваническим способом. Процесс осуществляется при вы­ соких температурах (950-1300 °С). Толщина хромового покрытия 0,1- 0,2 мм. Твердость хромированного слоя увеличивается с возрастанием со­ держания углерода. Для низкоуглеродистой стали HV 150-180, для сред­ неуглеродистой HV 190-300, для высокоуглеродистой HV 1300-1500.

Высокая твердость и низкий коэффициент трения хромового покры­ тия обеспечивает существенное снижение тепловыделения при трении и повышение износостойкости стальных деталей в 5-15 раз. Хромированный слой малоуглеродистой стали обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали пластической деформации.

Хромирование может быть двух видов: твердое гладкое и пористое. Твердое гладкое плохо смачивается смазочными маслами. Для увеличения смачиваемости покрытия в нем создают поры, углубления и каналы (по­ ристое хромирование) путем анодного травления гладкого хромового по­ крытия. Сечение каналов 0,05x0,05 мм.

Хром отличается высокой твердостью, большой прочностью сцепле­ ния со сталью и химической стойкостью.

Никелирование - процесс нанесения покрытий из никелевых сплавов. Используют при наращивании равномерных по толщине покрытий на де­ талях из стали, меди, латуни, никеля и алюминия.

Эти покрытия имеют меньшую твердость, чем хромовые, однако они хорошо обрабатываются и обладают большей вязкостью при толщине слоя до 2 мм.

Увеличение твердости никелевых покрытий достигается введением в

электролит соединений фосфора (гипофосфит натрия ИаНгРОз, фосфорная кислота). Они способствуют образованию в структуре никелевого покры­ тия твердых фосфидов никеля.

Никель-фосфорные покрытия обладают высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, способностью выдерживать высокие удельные нагрузки, сопротивляться значительным циклическим контакт­ ным нагрузкам.

13.4. Наплавка поверхностей

Наплавка применяется для упрочнения поверхностей узлов трения, восстановления и увеличения срока службы изношенных деталей. В про­ цессе наплавки происходит сплавление наносимого слоя с основным ме­ таллом, что обеспечивает их надежное сцепление.

Технология наплавки обеспечивает:

—возможность нанесения металлического слоя большой толщины; —высокую производительность процесса, применение ленточных

электродов, скорость процесса 15-20 кг/ч; —возможность нанесения износостойкого покрытия на основной ме­

талл любого состава.

Существует несколько видов технологий наплавки.

Газовая наплавка используется для упрочнения деталей, изготовлен­ ных из сталей 35, 40 и 45, а также из низко- и среднелегированных сталей. Наиболее широко применяют газовую наплавку твердыми сплавами на ин­ струмент и детали, рабочие поверхности которых должны иметь большую твердость и высокую износостойкость. Толщина наплавленного слоя 0^25- 5,0 мм.

Разновидностью газовой наплавки является дуговая наплавка с газо­ пламенной защитой. Этот способ позволяет наплавлять плотные слои, применяя доступные и относительно дешевые углеродистые проволоки. Особенность способа состоит в том, что защитные газы подаются в сва­ рочную зону двумя концентричными потоками:

—в наружном потоке - природный газ или пропанбутановая смесь; —во внутреннем потоке - кислород.

В этом случае природный газ и продукты его сгорания защищают зону сварки от проникновения азота и воздуха. Однако присутствие газо­ образного углерода вызывает образование значительной пористости. Это вредное влияние углерода на плотность наплавляемого металла подавляет­ ся кислородом, который узким внутренним потоком подается в зону дуги. При выходе из горелки газ сгорает, образуя пламя. Таким образом, дуга горит в факеле газокислородного пламени.

Плотные слои на стальные и чугунные детали наплавляют стальны­ ми сварочными и наплавочными проволоками, например Св-08, Св-08 ГА, Св-08 Г2С, Нп-ЗОХГСА, или углеродистыми и низколегированными про­ волоками из сталей 08 кп, 10, 20, 45, 65Г, 80.

Для восстановления изношенных поверхностей используется не­ сколько разновидностей электродуговой наплавки.

Например, применяется дуговая наплавка покрытыми электродами в виде стержней с покрытием. Электродное покрытие служит для защиты образующейся ванны жидкого металла от кислорода и азота воздуха, для стабилизации дуги и введения легирующих элементов в состав наплавлен­ ного металла.

Оборудование для дуговой наплавки покрытыми электродами отли­ чается низкой стоимостью, возможностью выполнения наплавки вручную.

Наплавка в среде углекислого газа не требует ни флюса, ни электрод­ ного покрытия. Дуга между электродом и наплавляемым изделием горит в струе газа, вытесняющего воздух из плавильного пространства и защи­ щающего расплавленный металл от воздействия кислорода и азота. На­ плавка в среде углекислого газа выполняется при постоянном токе обрат­ ной полярности.

Скорость наплавки устанавливается в зависимости от толщины на­ плавляемого металла и качества формирования слоя. Наплавка валиков осуществляется с шагом 2,5-3,5 мм. Каждый последующий валик (слой) должен перекрывать предыдущий не менее чем на 1/3 его ширины.

13.5.Нанесение аморфных покрытий

Вкачестве примера приведем хорошо зарекомендовавшую себя со­ временную методику повышения твердости и износостойкости деталей пу­ тем нанесения на их рабочую поверхность аморфных покрытий.

Этот процесс заключается в нанесении аморфного пленочного по­ крытия в ходе поверхностного плазменного финишного упрочнения, яв­ ляющегося заключительной операцией и не изменяющего шероховатость поверхности основного металла. При этом приповерхностный слой основ­ ного металла подвергается термической закалке.

Процесс проводится при атмосферном давлении на предварительно очищенной любым методом поверхности. Скорость перемещения изделия относительно плазмотрона 1 - 1 0 мм/с, расстояние между плазмотроном и изделием 10-20 мм. Покрытие является продуктом реакций реагентов, прошедших через плазменную дугу плазмотрона. В качестве реагентов ис­ пользуются элементоорганические жидкости.

После обработки твердость поверхностного слоя (1-3 мкм) колеб­

лется в пределах Н ^о = 6,96 - 6,76 ГПа.

При этом минимальный нагрев изделий в процессе обработки изде­ лий составляет 100-150 °С, что не вызывает деформаций. Образующееся на поверхности аморфное покрытие по микротвердости близко к алмазо­ подобным покрытиям.