Методы уменьшения износа

В вопросах надежности машин основную роль играет износостойкость их элементов. Основными методами уменьшения износа являются: 

− выбор материала необходимого качества;

− получение требуемой чистоты поверхности деталей при изготовлении;

− улучшение механических свойств материала деталей; 

− соблюдение режимов смазки; 

− защита деталей от коррозии.

Выбор материала. При выборе материала учитывают в первую очередь необходимую прочность и характер работы детали. Так, из двух совместно работающих деталей деталь, находящуюся в более тяжелых условиях работы, изготовляют из материала более высокого качества. Например, для шестерни зубчатой передачи выбирают материал более износостойкий, чем для зубчатого колеса. Если основным видом износа двух находящихся в зацеплении деталей является износ трением, то материал для их изготовления подбирают таким образом, чтобы коэффициент трения был минимальным. Только поэтому винт червячного редуктора изготовляют из стали, а червячное колесо или его венец — из бронзы.

Определенное влияние на выбор материала оказывает также вид нагрузок, действующих на деталь. При статическом характере нагрузок деталь может быть изготовлена из хрупкого материала. Наличие динамических нагрузок приводит к необходимости изготовления детали из более вязких материалов. В связи с этим корпус зубчатого редуктора изготовляют из чугуна или стального литья, а валы и шестерни — из качественных сталей.

Чистота механической обработки тоже оказывает большое влияние на износостойкость детали. Незначительные царапины, следы механической обработки приводят к концентрации напряжений, появлению усталостных трещин и быстрому износу трением. Но создавать поверхности трения с чистотой высокого класса довольно трудоемко и не всегда есть необходимость в связи с тем, что на гладких поверхностях плохо удерживается смазка. Поэтому их необходимо обрабатывать до экономически обоснованной чистоты, регламентированной ГОСТ 2789—73.

Улучшение механических свойств материала. Для повышения сопротивляемости деталей нагрузкам улучшают механические свойства материалов и повышают твердость трущихся поверхностей. Достигается это химико-термическими методами, термической обработкой и механическими способами. Получили распространение и другие виды упрочнения деталей: поверхностная закалка, наплавка твердыми сплавами, электролитическое покрытие и другие.

Термическая и химико-термическая обработка придает поверхности материала высокое сопротивление износу, высокую коррозионную стойкость, жаростойкость и другие качества.

В настоящее время нашли широкое применение термические (закалка, отпуск), а также химико-термические процессы (цементация, азотирование, цианирование) и процессы диффузного насыщения сплавов — алитирование, диффузионное хромирование, барирование, силицирование, сульфацианирование, насыщение несколькими элементами и другие. 

Термические процессы — процессы придания изделиям, изготовленным из высокоуглеродистых или легированных сталей, твердости путем нагрева их до высокой температуры и быстрого охлаждения в различных жидкостях (закалка) или понижении этого качества путем нагрева и медленного остывания (отпуск, нормализация, отжиг).

Режимы нагрева и охлаждения зависят от марки стали и требуемой твердости детали.

Цементация — процесс насыщения углеродом поверхностного слоя деталей, изготовленных из малоуглеродистой стали. Глубина диффузии углерода для разных деталей находится в пределах от 0,5 до 2 мм. Цементированные детали подвергают закалке. Поверхностный насыщенный углеродом слой при этом приобретает твердость, а сердцевина остается вязкой, чем достигается прочность детали.

Цианирование — процесс насыщения поверхности деталей машин азотом и углеродом.

Цианированием обычно упрочняют детали из среднеуглеродистой стали и режущий инструмент из быстрорежущей стали и ее заменителей.

В процессе насыщения поверхности деталей азотом и углеродом происходят структурные превращения, увеличивается твердость поверхностных слоев с образованием в них остаточных напряжений сжатия, что приводит к повышению изношенности, коррозионной стойкости и усталостной прочности талей машин.

Азотирование — процесс насыщения азотом поверхностного слоя деталей, который приводит к изменению структуры и создает в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия. Азот диффундирует в глубь металла очень медленно. Поэтому для получения азотированного слоя глубиной 0,6—0,7 мм обычно требуется 60—70 ч.

Азотирование применяют к деталям, изготовленным не только из стали, но также из чугунов, легированных алюминием: коленчатым валам, поршневым кольцам, зубчатым колесам и рейкам, седлам клапанов, эксцентрикам, кулачкам, зубчатым муфтам, звездочкам и т. п.

Сульфидирование — процесс насыщения поверхностного слоя деталей серой для придания материалу антифрикционных свойств. Сульфидированию подвергают рабочие поверхности деталей после окончательной механической обработки и обезжиривания. Его производят в жидкой, твердой и газообразной среде, содержащей серу. В результате сульфидирования на поверхности детали появляется менее прочная пленка, чем основной металл, которая разрушается при трении и отделяется от основания без пластического деформирования, предотвращая схватывание трущихся поверхностей.

В процессе износа сера диффундирует в глубь металла с большей интенсивностью, чем удельное давление. Поэтому антифрикционные свойства сульфидированного слоя сохраняются при величине износа, превышающей первоначальную толщину слоя. Положительный результат дает сульфидирование одной, более дешевой из двух трущихся между собой деталей.

Повышение износостойкости механической обработкой. Из механических способов упрочнения деталей наиболее широко используются обработка давлением и наклеп.

Обработка давлением заключается в протягивании деталей через специальные фильеры. Это повышает точность изготовления детали, чистоту и износостойкость.

Поверхностный наклеп является эффективным средством повышения износостойкости изделий при воздействии как механических, так и молекулярных сил трения. Но особенно благоприятен он в тех случаях, когда работоспособность детали определяется ее усталостной прочностью и она имеет концентраторы напряжений. Наклеп иногда в 5—6 раз повышает долговечность деталей. Кроме того, положительное влияние на износостойкость трущихся поверхностей, полученных наклепом, оказывает отсутствие на них абразивных зерен, которые имеются при шлифовке, притирке и т. п. Однако поверхностный наклеп недопустим для деталей, работающих в условиях высоких температур, для магнитных сплавов и малоэффективен в тех случаях, когда от детали требуется высокая коррозионная стойкость.

Поверхностный наклеп деталей получают путем дробеструйной обработки, ударами шариков и обкаткой жесткими роликами. Наклепывание шариками и роликами по сравнению с дробеструйным имеет тот недостаток, что его нельзя применять для обработки деталей сложной формы.

Соблюдение режимов смазки. Качественное смазывание машин является важнейшим фактором уменьшения износа. При выборе вида и сорта смазки, замене или добавлении смазочных материалов в узлы смазывания необходимо руководствоваться картами смазки или инструкциями по эксплуатации.

Кроме того, необходимо содержать в исправности уплотнительные устройства, служащие для предотвращения попадания из окружающей среды в узлы смазывания пыли, грязи, воды и других вредных примесей, а также вытекания смазки. Неисправные уплотнения вызывают быстрый абразивный или окислительный износ. Они, как правило, подлежат замене.

Защита деталей от коррозии. Коррозия ежегодно разрушает огромное количество металла. Так, в результате действия агрессивной среды срок службы металлоконструкций на углеобогатительных фабриках, как правило, снижается на 20—30%, а усталостная прочность — на 75—80%, от воздействия шахтной воды ежегодные потери металла составляют 10—12% от массы машин. Поэтому борьба с коррозией имеет громадное значение. Для защиты от коррозии существуют самые различные методы.

1. Окраска стальных конструкций и машин, подвергающихся атмосферному воздействию. Преимуществом окраски являются низкая стоимость и невысокая трудоемкость, а недостатком — способность растрескиваться и пропускать влагу. Перед покраской детали очищают, обезжиривают и грунтуют винновым или железным суриком на олифе. После полного высыхания грунта наносят наружный слой краски. 

2. Изготовление изделий из материалов, состоящих из сплавов повышенной сопротивляемости коррозии, например, легированных сталей, содержащих хром, никель, медь и др.

3. Полировка деталей. При этом уменьшается поверхность соприкосновения детали с воздухом, снижается возможность задержки влаги на поверхности, чем замедляется действие коррозии.

4. Покрытие металла защитной окисной пленкой, получаемой травлением изделия в сильных окислительных средах (оксидирование), или анодная обработка (анодирование). Эти способы защиты широко применяются для изделий из стали, алюминиевых и магниевых сплавов. При оксидировании деталь приобретает синий или черный цвет, отсюда его другое название — воронение. Для деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей и чугунов и подвергающихся в условиях эксплуатации разрушениям от коррозионной усталости, применяют антикоррозионное азотирование. К таким деталям относятся валы насосов, спиральные и полосовые пружины, некоторые детали буровых станков и др.

5. Покрытие слоем металла, более стойкого в отношении коррозии. В настоящее время существует несколько способов нанесения металлических покрытий:

− покрытие погружением в расплавленный металл — цинк (оцинковка), олово (лужение), свинец, алюминий. Этот способ применяется как для готовых изделий, так и для материалов (листы, трубы, проволока);

− электролитические покрытия цинком, кадмием, никелем, хромом, железом;

− диффузионное покрытие изделий цинком, алюминием, хромом, осуществляемое нагреванием изделий в порошке металла (или в газообразных его соединениях), из которого желательно получить покрытие. Диффузионное покрытие цинком (шерардизация) применяется главным образом для мелких стальных изделий, покрытие алюминием (алитирование) используется для стальных изделий, требующих повышенной жаростойкости, диффузионное хромирование значительно повышает коррозионную стойкость обычной стали;

− покрытие методом распыления металлов (металлизация), применяемое для больших конструкций или аппаратов в собранном виде, когда другие методы неприменимы.

Для повышения теплостойкости деталей применяют биматериалы, полученные плазменным напылением одного материала на другой при температурах в несколько тысяч градусов, когда соединение их происходит в результате молекулярной диффузии. В качестве напылителей применяют вольфрам, керамические и некоторые другие материалы. При этом иногда повышается и усталостная прочность деталей.