Материаловедческие, технологические, конструкционные и эксплуатационные методы повышения износостойкости.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10

1. Номинальная, контурная и фактическая площадь контакта. Методы определения контурной и фактической площади при упругом, пластическом и упругопластическом контактах.

 

На рисунке показана структурная схема площади контакта. Площадки фактического контакта(ФПК) ΔAr сгруппированы на площадях касания волн, совокупность которых составляет контурную площадь контакта ΔAС (КПК). Общая площадь соприкасания тел (кажущаяся), в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта А (НПК).

Рис. 4.5. Структурные компоненты реальногоконтакта шероховатых поверхностей: - номинальная площадь контакта; - контурная площадка; - фактическаяплощадь единичного пятна контакта

 

Общая площадь соприкасания тел, в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта (НПК).

Рис. 4.6. К анализу оценки фактической площади контакта

При упругой деформации единичного выступа

a_i-деформация

где - упругая постоянная; - коэффициенты Пуассона; , - модули Юнга для первой и второй поверхностей; – нормальная нагрузка; r – радиус выступа. Если контактируют два сферических выступа, то , где r - приведенный радиус кривизны выступов.

При пластической деформации возможно либо внедрение, либо расплющивание выступа. Среднее давление на контакте считается равным твердости более мягкого материала. Тогда справедливы отношения:

(4.8)

Здесь НВ - твердость по Бринелю, которая определяется как частное от давления нагрузки на площадь отпечатка, оставшегося после внедрения твердого шарика в пластичный материал. Формула (4.10) получается из геометрических соображений (см. рис. 4.6, б):

,

отсюда

При пластическом контакте среднее давление на пятнах касания близко к твердости по Бринелю, поэтому ФПК выражается в виде .

Если поверхности имеют ярко выраженную волнистость, то ее параметры определяют из волнограмм, снимаемых с помощью профилографов, и используют математическое описание, разработанное для шероховатого слоя. Контурную площадь контакта можно рассчитать по формуле

Здесь Н_В – наибольшая высота волны; А_а– номинальная площадь контакта; и - коэффициенты, равные при упругом контакте 0,5, а при пластическом - 1 и 0 соответственно; n_w - параметр опорной кривой для волнистости; К₄ – постоянная интегрирования; М – характеристика механических свойств (при упругом контакте М = 0,43j; при пластическом М @ НВ).

Если волнистость выражена слабо (Н_в£ R_max), то ею можно пренебречь и считать в формулах А_с = А_а

 

Поверхностная закалка

Эта операция сопровождает химико-термическую обработку, а также имеет и самостоятельное значение - она применяется для образования твердого износостойкого слоя на поверхности деталей из средне- и высокоуглеродных сталей и некоторых чугунов. Ей предшествует 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.

Электрохимические покрытия

В современной технологии широко используется метод электролиза. Чаще всего применяются 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 стойкостью. Все элементы подшипников качения подвергаются хромированию.

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. Термообработка также повышает твердость и антикоррозийность. Покрытия хорошо прирабатываются, причем в ходе приработки вследствие высокой пластичности материал покрытия с вершин выступов частично перетекает во впадины микрорельефа. Увеличивается фактическая площадь контакта и снижаются контактные напряжения. Однако покрытия имеют низкую стойкость к циклическому нагружению и способны отслаиваться.

Значительное место в технологии повышения износостойкости занимают оксидирование и фосфатирование. Оксидирование - это искусственное создание оксидной пленки.Прогрессивным способом химической обработки поверхностей деталей является фосфатирование - формирование пленки из нерастворимых фосфорнокислых солей.

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. Возможен и другой вариант: с помощью пуансона прижимается брикет из гранул или стружки. Затем покрываемая поверхность с заданной скоростью приводится в циклическое движение. Наносимый материал трется о поверхность детали, на границе выделяется теплота. В какой-то момент времени температура контакта достигает точки плавления. Плавление, а следовательно, формирование износостойкого слоя происходит под давлением от 5 до 100 МПа при скорости скольжения 1-8 м/с. При этом время формирования слоя составляет 5-70 с. Таким способом создается покрытие толщиной от 0,5 до 10 мм. На стальную основу наносятся слои из медных, алюминиевых и других сплавов. Однако этот метод имеет ряд ограничений. Он применим для деталей цилиндрической формы, приводимых во вращение. Причем температура плавления материала покрытия должна быть меньше, чем у материала основы. Также метод успешно используется для создания медного покрытия на поверхностях гильз цилиндров ДВС, что стимулирует возникновение режима избирательного переноса. При испытаниях пара цилиндр - поршень практически не изнашивается.

При электроконтактном формировании тепло выделяется в результате прохождения электрического тока через обладающий большим сопротивлением гранулированный материал, прижимаемый с заданным давлением к поверхности детали. Здесь форма поверхности детали может быть любой. Температурные ограничения тоже отсутствуют. Этим методом на сталь наносится широкий спектр материалов: легированные стали, твердые сплавы, износостойкие композиции.

Ионно-плазменные методы

Данные методы весьма эффективны, но их применение требует высокого разрежения (они осуществляются в вакуумных камерах), поэтому они достаточно дорогостоящие и применяются 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. Покрытие может быть получено способами термического испарения, катодного или ионно-плазменного распыления или с помощью бомбардировки поверхности потоком из частиц осаждаемого вещества. В качестве реакционного газа применяют азот или углеводород, в результате формируется нитридное или карбидное покрытие.

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 осуществляется за счет диффузии, стимулируемой высокой температурой. Применяются также диффузионная и электроконтактная сварка, наплавка, припаивание и другие способы. Таким методом получают биметаллические полосы, кольца.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10

1. Номинальная, контурная и фактическая площадь контакта. Методы определения контурной и фактической площади при упругом, пластическом и упругопластическом контактах.

 

На рисунке показана структурная схема площади контакта. Площадки фактического контакта(ФПК) ΔAr сгруппированы на площадях касания волн, совокупность которых составляет контурную площадь контакта ΔAС (КПК). Общая площадь соприкасания тел (кажущаяся), в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта А (НПК).

Рис. 4.5. Структурные компоненты реальногоконтакта шероховатых поверхностей: - номинальная площадь контакта; - контурная площадка; - фактическаяплощадь единичного пятна контакта

 

Общая площадь соприкасания тел, в пределах которой заключены ФПК и КПК, называется номинальной площадью контакта (НПК).

Рис. 4.6. К анализу оценки фактической площади контакта

При упругой деформации единичного выступа

a_i-деформация

где - упругая постоянная; - коэффициенты Пуассона; , - модули Юнга для первой и второй поверхностей; – нормальная нагрузка; r – радиус выступа. Если контактируют два сферических выступа, то , где r - приведенный радиус кривизны выступов.

При пластической деформации возможно либо внедрение, либо расплющивание выступа. Среднее давление на контакте считается равным твердости более мягкого материала. Тогда справедливы отношения:

(4.8)

Здесь НВ - твердость по Бринелю, которая определяется как частное от давления нагрузки на площадь отпечатка, оставшегося после внедрения твердого шарика в пластичный материал. Формула (4.10) получается из геометрических соображений (см. рис. 4.6, б):

,

отсюда

При пластическом контакте среднее давление на пятнах касания близко к твердости по Бринелю, поэтому ФПК выражается в виде .

Если поверхности имеют ярко выраженную волнистость, то ее параметры определяют из волнограмм, снимаемых с помощью профилографов, и используют математическое описание, разработанное для шероховатого слоя. Контурную площадь контакта можно рассчитать по формуле

Здесь Н_В – наибольшая высота волны; А_а– номинальная площадь контакта; и - коэффициенты, равные при упругом контакте 0,5, а при пластическом - 1 и 0 соответственно; n_w - параметр опорной кривой для волнистости; К₄ – постоянная интегрирования; М – характеристика механических свойств (при упругом контакте М = 0,43j; при пластическом М @ НВ).

Если волнистость выражена слабо (Н_в£ R_max), то ею можно пренебречь и считать в формулах А_с = А_а

 

Материаловедческие, технологические, конструкционные и эксплуатационные методы повышения износостойкости.

 

Технологические методы обеспечения износостойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп: химико-термическая обработка, объемная и поверхностная закалка, электрохимическая и механотермическая обработка, наплавка износостойких слоев, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование, механическое упрочнение и др.