Технологические методы обеспечения высокой износостойкости узлов трения

Существующие технологические методы обеспечения износостойкости поверхностей деталей узлов трения подразделяют на несколько групп: химико-термические, объемная и поверхностная закалка, электрохимические, химическая обработка, механотермические, наплавка износостойких слоев, напыление порошковых покрытий, ионно-плазменная обработка, плакирование, механическое упрочнение и др. Применение этих методов в значительной мере связано с историей развития автомобилестроения в развитых странах. Само развитие этих методов было вызвано стремлением повысить эксплуатационные качества автотранспортных средств.

Химико-термическая обработка (ХТО)

Целью ХТО является создание на стальной поверхности тонкого легированного слоя за счет диффузии извне легирующих элементов. Затем поверхность подвергается закалке. Поверхностный слой приобретает высокую твердость (до 60 и более единиц по шкале Роквелла). Сюда относятся цементирование, азотирование, борирование, насыщение хромом, никелем, цианирование (насыщение одновременно азотом и углеродом), борохромирование (одновременное насыщение бором и хромом), карбоборирование (одновременное насыщение углеродом и бором) и др.

Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм. Химико-термическая обработка получила наибольшее распространение, как метод упрочнения поверхностей из-за простоты, доступности и высокой эффективности. 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. В качестве газового карбюризатора используются углеводороды, а жидкого - расплавы солей, содержащих углерод. Наиболее эффективна газовая цементация с нагревом детали токами высокой частоты.

Азотированию подвергаются стальные детали при более низкой, чем при цементировании, 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. Азотирование придает деталям 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. Недостатком метода является увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.

Цианирование (нитроцементация) происходит в жидких (расплавы солей) и газовых азотно-углеродных средах. Низкотемпературное цианирование осуществляется при температуре 530¸650 °С, имеет небольшую скорость и применяется для высоколегированных инструментальных высокоуглеродистых сталей и легированных сталей с содержанием углерода до 0,4%. Обработке подвергаются ответственные резьбовые соединения, втулки, зубчатые колеса, вилки механизма коробки перемены передач, ролики, кулачковые пары. Наиболее гибким процессом является газовое цианирование. Оно поддается автоматизации и позволяет управлять содержанием С и N в отдельности. Преимущество цианирования перед цементированием и азотированием - большая скорость процесса и более высокий упрочняющий эффект.

Аналогична и технология диффузионного насыщения рабочих поверхностей деталей бором, хромом, никелем, серой в отдельности либо в различных комбинациях.