Способы увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей оборудования.

1.4. Методы повышения износостойкости и срока службы машин

Промышленностью и сельским хозяйством ежегодно расходуются сотни тысяч тонн металла на изготовление запасных частей и замену ими быстро- изнашивающихся деталей: рабочих органов дробильных механизмов, деталей землеройных машин, тягодутьевых устройств, валков прокатных станов, почвообрабатывающих машин и других деталей различного рода инструментов и штампов. На операции замены затрачивается большое количество труда. При этом снижается производительность машин и аппаратов, увеличиваются простои агрегатов на замену изношенных деталей. Поэтому повышение износостойкости и срока службы машин? весьма важная задача науки и производства, особенно в современных условиях, когда оборудование практически всех предприятий существенно изношено, а перспективы его замены на новое в ближайшее время нет в связи с общим падением производства в современных условиях и отсутствием средств на оплату заказов на изготовление или покупку других машин и механизмов.

Повышение износостойкости и срока службы машин - весьма актуальная проблема науки и производства и её решение может быть достигнуто одним из следующих методов.

1.4.1. Рациональное конструирование

Конструктор обычно пользуется соображениями наилучших способов обеспечения функциональных возможностей машины, её дизайном и не всегда принимается в расчет возможное увеличение срока службы быстроизнашиваемых деталей за счёт их рационального конструирования.
Следует отметить, что пока не выработано надёжных однозначных критериев, используя которые конструктор мог бы надёжно рассчитать износостойкость и срок службы конкретной детали или машины в целом. Однако наука и накопленный к настоящему времени производственный опыт исследования износостойкости материалов в различных условиях эксплуатации позволяет достаточно обоснованно подходить к конструированию быстро- изнашиваемых деталей машин, что должно обеспечивать увеличение их срока службы.

1.4.2. Выбор материала

Износостойких материалов разработано много. Главные требования, которые чаще всего закладывались их разработчиками, сводились к тому, чтобы обеспечить получение металла наибольшей твердости. При этом в состав сплава вводились значительные количества легирующих элементов. Общее их содержание в сплаве достигало иногда 60%. Естественно, что далеко не во всех случаях рационально использовались большие возможности, заложенные в сплав легированием. Высоколегированные сплавы при значительной твердости обладают наиболее высокой износостойкостью, но их применение целесообразно только тогда, когда быстроизнашиваемые детали не испытывают деформаций в процессе эксплуатации, которые неизбежно приводят к появлению трещин и отколов. В таком случае детали выходят из строя не в результате износа, а вследствие поломок.

1.4.3. Повышение износостойкости методами термической и
химико-термической обработки

Изнашивается, как правило, тонкая поверхностная зона металла. В некоторых случаях, когда незначительные изменения геометрических размеров детали приводят к выходу из строя всего узла или машины, величина износа составляет всего лишь несколько микрометров. В связи с этим необходимо упрочнение только поверхностных слоев. Одним из способов, могущих в некоторых случаях решить такую задачу, являются термическая обработка поверхностных слоёв (Т.В.Ч.) или химико-термическая обработка.
Термическая обработка токами высокой частоты может производиться на плоских поверхностях или на деталях, имеющих форму тел вращения. При этом поверхность детали приобретает высокую твердость и существенную износостойкость, а сердцевина детали остается достаточно пластичной, способной воспринимать динамические и знакопеременные нагрузки. Применение закалки Т.В.Ч. ограничивается тем, что этот процесс эффективен не для любых материалов.
Для повышения износостойкости деталей из сплавов, не воспринимающих закалку, наиболее эффективно применение химико-термической обработки: насыщение поверхностного слоя стали углеродом – цементация, азотом – азотирование, азотом и углеродом одновременно – цианирование, бором – борирование, с последующей термической обработкой по соответствующим режимам. При этом поверхность стали приобретает иной состав, содержащий очень твердые включения: карбиды, нитриды, бориды. Структура матрицы такого сплава после термической обработки становится в поверхностном слое и сама достаточно твердой, а весьма твердые включения карбидов, нитридов, боридов, увеличивают ещё более агрегатную твердость, вследствие чего поверхность стали приобретает высокую износостойкость. При этом сохраняется в сердцевине детали необходимая пластичность и, следовательно, способность работать в различных условиях нагружения, включая ударные и знакопеременные.

Метод наплавки.

1.4.4. Износостойкая наплавка

Мощным средством экономии затрат живого и овеществленного труда является повышение долговечности быстроизнашиваемых деталей и узлов оборудования, машин и механизмов методами наплавки и напыления.

Наплавка износостойкими сплавами является наиболее универсальным, экономичным и широко применяемым в народном хозяйстве средством восстановления и изготовления деталей машин и механизмов, придания их рабочей поверхности специальных качеств, способствующих росту срока службы. Наплавка, представляющая собой процесс нанесения на специально подготовленную поверхность изготовляемых или ремонтируемых деталей расплавленного присадочного металла, образующего с поверхностными слоями детали сплав с высокими механическими и служебными свойствами.
В промышленности, строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве применяются практически все известные способы и разновидности наплавки. Непрерывно совершенствуются и внедряются в производство прогрессивные способы наплавки: дуговая порошковыми проволоками и лентами, электрошлаковая, индукционная, вибродуговая, плазменная и др.

На износостойкую наплавку и простую восстановительную наплавку расходуется более 5% всех электродов, около 11% сварочной проволоки сплошного сечения и почти половина всей порошковой проволоки, производимых в бывшем СССР.
Потребность Украины в наплавочных материалах – электродах и порошковых проволоках и лентах вполне удовлетворяется за счет выпуска на большом количестве мелких предприятий и в специализированных цехах промышленных предприятий, наиболее крупным из них является цех мощностью 6 тыс. тонн в год по производству порошковой проволоки на Нижнеднепровском заводе металлоизделий в г. Днепропетровске.
В результате увеличения производства наплавочных работ достигается большая экономия металла, как за счет восстановительной наплавки, так и за счёт повышения износостойкости и срока службы деталей машин и конструкций.

Применение наплавочных процессов позволяет многократно восстанавливать изношенные детали оборудования, металлорежущий и штамповый инструмент, а также создавать новые биметаллические конструкции с требуемыми технологическими и эксплуатационными свойствами, которые во много раз повышают ресурс работы изделий, значительно сокращают расход конструкционных и легированных инструментальных сталей и снижают трудоёмкость их изготовления.
Процесс износостойкой наплавки может осуществляться различными способами. По применяемым источникам энергии для нагрева и плавления износостойких присадок и поверхности деталей наплавка может быть классифицирована следующим образом (табл. 1.2).

Постановка задачи наплавки, определяющая выбор способа осуществления этого процесса, начинается с того же, с чего должна начинаться любая работа инженера или учёного – с чёткого формулирования задачи, которую необходимо решать и цели проведения этой работы – т.е. представления ожидаемого результата.
Эта работа не является тривиальной, т.к. необходимо обдумать всю программу планируемой работы.

Например:
Задача № 1 – решить поставленную проблему износа.
Цель - вернуть машину в работоспособное состояние.
Задача № 2 – исследовать механизм изнашивания.
Цель - создать материалы, стойкие против изнашивания в заданных условиях.
Задача № 3 – разработать износостойкие материалы или виды обработки, повышающие износостойкость.
Цель - извлечь прибыль при продаже материалов и технологий.
Благодаря использованию научных знаний сварка и наплавка перестали быть эмпирическим искусством и развились в точную науку.
Совершенствование методов изучения физических и химических свойств веществ обеспечило более точное их определение и возможность контроля за рабочими параметрами процессов. Химическая термодинамика дала возможность получить необходимую фундаментальную информацию для оценки оптимальных условий осуществления различных процессов при наплавке.