Поляков А.Н. (Ред.). Методы упрочнения поверхностей деталей машин

Оглавление

Предисловие

На протяжении 70-летней истории ИМАШ РАН проблемы прочности, разрушения, трения и износа входили в число базовых направлений его научной деятельности. Научные исследования указанных проблем вначале сосредотачивались в двух комплексах лабораторий, и затем (в двух отделах) – прочности и ресурса, а также трения и смазки.

Фундаментальные результаты по первому направлению в институте были получены членами Академии С. В. Серенсеном, Н. Н. Давиденковым, И. А. Одингом, Ю. Н. Работновым, В. С. Болотиным, А. П. Гусенковым, профессорами Н. И. Пригоровским, А. Д. Томленовым, М. Г. Лозинским, Б. М. Ровинским, Л. М. Рыбаковой. Разработки проблемы трения и износа в ИМАШ РАН выполняли профессора М. М. Хрущов, И. В. Крагельский, С. В. Пинегин, А. И. Петрусевич.

В выполненных исследованиях заложены основы инженерных расчетов прочности, долговечности, надежности, износостойкости применительно к традиционным конструкционным материалам.

В последние десятилетия на одно из первых мест стали выходить проблемы повышения указанных выше характеристик, материалов, машин и конструкций. Если на первом этапе задания сводились к выбору химического состава, структур, термомеханических и химико-термической обработки материалов, направленных на повышение служебных свойств, то новые технологии, основанные на новых физических принципах физико-химических локальных воздействий принципиально изменили подход к решению задачи. Новые методы расширили возможности не только самих способов упрочнения и повышения износостойкости, но и выдвинули новые задачи фундаментальных исследований, состояния материалов исследований, поведения материалов на макро-, микро- и наноуровнях, исследования закономерностей локального поведения новых структур при различных силовых, термических и физико-химических эксплуатационных воздействиях. К этим исследованиям были привлечены ведущие сотрудники ИМАШ РАН (д. т. н, проф. Г. В. Москвитин; член-корреспондент РАН Н.А.Махутов; д. т. н., проф. Ю. Н. Дроздов; д. т. н., проф. А. П. Семенов; д. т. н. Н. А. Воронин; к. т. н. В. Е. Архипов; к. т. н. И. М. Петрова; д. т. н., проф. Л. И. Куксёнова; к. т. н. В. Г. Лаптева; д. т. н. И. Ф. Буяновский; к. ф-м. н. М. М. Хрущов; к. т. н. А. Н. Поляков), фирма ИНАКОТЕК, созданная под эгидой ИМАШ РАН, НФ ИМАШ РАН (д. ф-м. н., проф. В. Н. Перевезенцев, к. ф-м. н. И. Н. Царева, к. ф-м. н. Ю. П. Тарасенко, к. ф-м. н. А. И. Пчелинцев, к. т. н. Е. Е. Русин; к. ф-м. н. П. Ю. Кикин), и ряд ученых из других организаций, таких как ИМЕТ им. И. П. Бардина, МГУ им. М. В. Ломоносова, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого (НАНБ).

В представленном сборнике, посвященном 70-летию института, нашли свое отражение результаты фундаментальных исследований, касающихся методов поверхностного упрочнения: – получение базовых зависимостей расчетных характеристик прочности, ресурса и износостойкости с параметрами этих технологий; – создание новых композиций поверхностных слоев; – изучение влияния структурных и наноструктурных параметров на базовые стандартные механические свойства, а также на интегральные характеристики прочности и износостойкости.

Представленные в сборнике статьи ориентированы на специалистов, занимающихся проблемами исследования физики, химии и механики процессов разрушения и износа, а также на специалистов, работающих в области конструкционного материаловедения, проектирования технологий изготовления и эксплуатации высоко ответственных изделий машиностроения.

Введение

"Различные методики поверхностного упрочнения деталей машин" – это сборник о наиболее современных технологиях упрочнения.

Как сказал В. В. Путин на расширенной сессии Госсовета 8 февраля 2008 г.: "... А увеличившиеся государственные ресурсы, направляемые в науку, должны использоваться максимально эффективно и сосредотачиваться на фундаментальных и прорывных направлениях <...>. Реальные результаты в построении инновационного общества должны стать главным критерием. Это – масштабная модернизация существующих производств во всех сферах экономики".

В Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу, утвержденных Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 г., переход к инновационному развитию страны определен как основная цель государственной политики в области развития науки и технологий, достижение которой является необходимой предпосылкой модернизации экономики и, в конечном счете, обеспечения конкурентоспособности отечественного производства.

Технологии, которые позволяют сберечь ресурсы, снизить затраты энергии, обеспечить наилучшую технологичность, увеличить износостойкость, сопротивление усталости, повысить коррозионную стойкость и так далее, являясь перспективными и инновационными, используют разнообразные методы и приемы обработки металлов. Этих методов обработки достаточно много. Это химико-термические методы, термическая обработка концентрированными потоками энергии, электроискровые способы, газотермические методы напыления – детонационный и плазменный, вакуумное ионно-плазменное упрочнение. Так, для снижения усталостных отказов целесообразно подвергнуть упрочнению неглубокий поверхностный слой материала деталей, а сердцевину оставить вязкой, обеспечивающей высокую несущую способность при знакопеременной или ударной нагрузке. Это условие выполняется при поверхностной закалке и химико-термической обработке. Процессы металлизации, связанные с насыщением поверхностного слоя стали, значительно повышают работоспособность деталей. Существует большое количество способов нанесений металлов на подложку, как правило, они все позволяют защитить металл от коррозии, но имеют совершенно различные данные по износостойкости и сопротивлению усталости, значительны отличия также по прочности деталей. Если эти методы повышают предел выносливости и обеспечивают повышение износостойкости (хромирование и борирование), то это значит, что применение этих методов обусловлено при условиях, если детали машин испытывают циклические нагрузки и испытывают износ. При условиях повышения жаропрочности (алитирование), коррозионной стойкости (силицирование) и т. д. это добавляет преимуществ данному виду упрочнения. Наибольшее внимание при разработке упрочнений работы деталей на износ необходимо уделить методам упрочнения типовых наиболее изнашиваемых узлов машины: направляющих металлорежущих станков, зубчатых передач, подшипников скольжения и качения, кулачковых механизмов, фрикционных передач, уплотнений валов. По вопросам расчета указанных сочленений имеются фундаментальные разработки, которые подробно описаны в технической литературе и широко используются на практике.

Эти технологии можно использовать и для воccтановления изношенных деталей машин. Большое количество изношенных деталей машин (до 70–80 %) можно восстановить с целью их дальнейшего использования. Однако, как показывает опыт, стоимость восстановления не должна превышать 60 % от стоимости новой детали при гарантийной наработке восстановленной детали порядка 80 % от новой.

Некоторые их них являются наиболее интересными. Это касается некоторых видов вакуумного ионно-плазменного упрочнения, CВС, разнообразных современных методов азотирования, нанотехнологий и некоторых других методов.

Значительно повысить стойкость инструмента удается с помощью технологии CВC, наноламинированных покрытий, вакуумным ионно-плазменным напылением. Так, при применении технологии CВC удалось повысить стойкость режущего инструмента в 6–8 раз. Была разработана инновационная технология нанесения покрытий как составляющая метода физического вакуумного осаждения для напыления новых комплексных сложнолегированных высокопрочных и износостойких покрытий. Эта технология нашла применение в авиамоторостроении, инструментальной и других отраслях промышленности.

Проведены глубокие исследования вакуумного ионно-плазменного напыления. Обосновано применение термина топокомпозитов для упрочненных поверхностей и дан критерий отнесения таких поверхностей к классу топокомпозитов.

Показана возможность повышения температурной стойкости граничных смазочных слоев адсорбционного происхождения при трении стальных поверхностей путем предварительного нанесения на эти поверхности углеродных алмазоподобных покрытий – ориентантов.

Представлены результаты структурных и трибологических исследований сталей после различных процессов азотирования: газовое азотирование, азотирование в тлеющем разряде, ионная имплантация азота. Это позволяет эффективно оценить конкретный тип и режимы химико-термической обработки, условия предварительной обработки, и выявить характеристики структуры азотированного слоя, способтвующие повышению износостойкости сталей.

Проведенные исследования представленных технологий позволяют сделать вывод о широкой их применимости и достаточно хороших результатах при применении в самых различных отраслях машиностроения, в частности в инструментальной отрасли, автомобилестроении, судостроении, станкостроении и других.