Восстановление и ремонт деталей механизмов и машин

Для повышения долговечности и безотказности деталей машин применяются различные технологические методы, в результате которых происходит упрочнение металла в поверхностном слое, и, кроме того, в детали создаются остаточные напряжения (обычно, сжимающие), при этом повышается предел выносливости до 2–3 раз и долговечность детали. Для восстановления изношенных в процессе эксплуатации рабочих поверхностей, в настоящее время используются различные способы нанесения покрытий: наплавление, осталивание, хромирование, термическое напыление и металлирование, а также метод шлифования в ремонтные размеры, предполагающий изготовление соответствующих типоразмеров пары трения, например, вкладышей подшипников или поршневых колец [12, 13].

За рубежом метод обработки в ремонтные размеры, например, коленчатых валов, широкое применение нашел в Германии и Швейцарии, фирма «Costaline Utectic». В Германии также проводят хромирование и металлизацию шеек валов до номинального размера. В Польше при восстановлении валов двигателей «Ursus» галтели не наплавляют, а шейки после наплавки обрабатывают фигурным резцом на токарном станке. Некоторые фирмы США применяют термическое напыление шеек. При этом производится правка валов, наплавка (напыление) изношенных зон, прецизионное шлифование и полирование. Стоимость такого восстановления коленчатого вала примерно на 30% ниже по сравнению с другими способами.

В Российской Федерации вышеперечисленные методы ремонтных размеров и восстанавливающих покрытий также широко используются. Наплавлением на коленчатые и шатунные шейки наносится компактный слой металла, обладающий высокой прочностью сцепления с основанием. Твердость наплавленного слоя составляет 45–58 HRC. Износостойкость восстановленных шеек достигает 70–100% износостойкости новых. Недостатками наплавления являются: необходимость предварительного шлифования шеек на глубину 1–1,5 мм, большая толщина наплавленного металла (до 4–6 мм), значительные деформации вала, остаточные напряжения в материале (особенно при вибродуговом наплавлении), что ведет к отбраковке или разрушению восстановленных коленчатых валов. Сопротивление усталости наплавленных валов составляет 60–70% сопротивления усталости новых, при плазменном наплавлении она составляет порядка 74%.

При осталивании (ожелезнении) из растворов солей железа на рабочей поверхности коленчатых валов электролитически наращивают железное покрытие большой твердости, приближающейся к твердости стали. Прочность сцепления покрытия с основой составляет 150 МПа. Покрытия не отслаиваются даже при пластических деформациях. Метод осталивания включает в себя следующие операции: очистку, механическую обработку, промывку ацетоном, зачистку наждачным полотном, монтаж на подвеску, электрохимическую очистку, осаждение твердого железа, обработку после осаждения, промывание и механическую обработку. Недостатками метода являются наличие агрессивных сред, большое количество операций, низкое сопротивление усталости при эксплуатации.

При электролитическом хромировании покрытие получают при осаждении хрома из водных растворов в результате прохождения через раствор электрического тока. Хромирование позволяет получить износостойкие покрытия толщиной 250–300 мкм, обладающие высокой твердостью. Однако возникающие в покрытии внутренние напряжения значительно снижают сопротивление усталости вала.

Одним из способов получения покрытий нанесением на рабочую поверхность расплавленного металла является металлизация. Сущность металлизации заключается в расплавлении металла дугой (электрометаллизация) ацетилено-кислородным пламенем (газовая металлизация), или высокотемпературной плазмой (плазменная металлизация) и распылении струей сжатого воздуха (давление до 0,6МПа) на восстанавливаемую поверхность. Отличительная особенность металлизации – низкое термическое воздействие на материал восстанавливаемой детали (до 100–150°С), отсюда практическое исключение деформаций. Металлизацией наносят покрытия с широким диапазоном твердости (200–600 HRB), пористости (0–50%). Однако прочность сцепления покрытия с основой невысока, что сдерживает широкое применение данного способа.

При газотермическом методе нанесения порошковых покрытий происходит пластификация порошка в высокотемпературном источнике тепла и нанесение его газовыми потоками на предварительно подготовленную механической или струйной обработкой) изношенную поверхность. Прочность покрытий на отрыв при плазменном нанесении покрытий составляет 40–55 МПа, пределы выносливости восстановленных валов составляют 110–135 МПа. Ресурс до шлифования в ремонтный размер достигает 10000–13000 часов. К недостаткам процесса напыления следует отнести окисление напыляемого металла при малых скоростях подачи, наличие пористости и других видов дефектов, невысокую адгезионную и когезионную прочность покрытия. Кроме того, большое количество тепла, выделяемое в процессе напыления, приводит к выгоранию легирующих элементов в напыляемом металле. Содержание углерода уменьшается на 40–60%, кремния, марганца – на 10–15%.

При восстановлении коленчатых валов металлированием происходит нанесение на изношенные поверхности покрытий сырого порошкового слоя или оболочки с последующей термической обработкой. Термическая обработка осуществляется припеканием оболочек в среде водорода в течение 30 мин. при температуре 1373–1453°К. Далее следует нормализация и шлифование. К недостаткам метода следует отнести необходимость специального герметичного оборудования, наличие огнеопасной среды, необходимость окончательной термической и механической обработок.

Как известно, качество поверхностного слоя и его адгезия к подложке – одни из главнейших факторов, определяющих долговечность деталей, работающих в узлах трения. Наиболее широко применяемые в промышленности методы восстановления коленчатых валов практически исчерпали свои возможности, т.к. возникают известные проблемы, связанные с пониженной твердостью шеек и качеством наносимого покрытия.

Одним из способов улучшения свойств нанесенного покрытия, связанных с увеличением прочности сцепления с основой и повышением плотности нанесенного материала, является их оплавление лазерным лучом. Структура оплавления лазером слоев при оптимальных режимах обработки характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием окисных включений и пор. Содержание легирующих элементов мало отличается от их содержания в исходном содержании покрытия, а характер их распределения на глубине оплавленной зоны характеризуется их равномерностью.

Другим способом решения проблемы качества наносимого покрытия является лазерная наплавка. При лазерной наплавке наплавляемый материал или одновременно с действием излучения подают в зону обработки, или предварительно наносят его с последующим лазерным оплавлением. К первому способу относится газопорошковая лазерная наплавка (ГПЛН), заключающаяся в получении поверхностных покрытий принудительной подачей порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. К недостаткам ГПЛН следует отнести неполное использование порошка и сложность устройства для подачи порошка и улавливания неиспользованного в процессе наплавки порошка. Во втором случае материал предварительно в виде обмазки наносят на деталь слоем соответствующей толщины. Особенностью технологического процесса лазерной наплавки является возможность регулирования времени существования жидкой фазы и обеспечение высоких скоростей охлаждения кристаллизующегося металла наплавки. Вследствие этого микроструктура покрытий, полученных лазерной наплавкой, отличается от микроструктуры при наплавке другими методами. Отличие, заключающееся в измельчении структуры и образовании пресыщенных твердых растворов, обеспечивает высокие свойства поверхностных покрытий, в первую очередь – износостойкость. Твердость наплавленного слоя достигает 60–63HRC, а прочность сцепления с основным металлом – 250 МПа. Стойкость лазерной наплавки в 3–5 раз превосходит износостойкость плазменного покрытия, оплавленного газопламенной горелкой, и в 10 раз больше износостойкости покрытия, полученного токами высокой частоты (ТВЧ).

Прочность сцепления покрытия с основой при лазерной наплавке в 3–5 раз превышает прочность при напылении покрытий. При этом поверхность после наплавки получается ровной, чистой, и легко обрабатывается абразивным инструментом. Восстанавливаемая деталь не требует специальной подготовки. Ее поверхность лишь обезжиривают в ванне с содовым раствором, который обычно применяется на ремонтных предприятиях.