Промышленное внедрение технологии

диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов

(Бизнес - план)

• внедрение технологии дискретного диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов, существенно улучшающего их эксплуатационные характеристики и способствующего удлинению срока эксплуатации;
• получение коммерческой выгоды от внедрения;
• создание условий для дальнейшего развития вышеуказанной технологии.

• производство установок для нанесения дискретного диффузионного покрытия с последующей реализацией заинтересованным коммерческим компаниям и предприятиям;
• создание сети обслуживающих центров, оказывающих услуги организациям, компаниям и частным лицам;
• продажа лицензий.

• исследованиями эффективности дискретного покрытия на конкретном ассортименте тяжело нагруженных узлов двигателей, валков прокатных станов;
• отлаженностью технологии упрочнения на предыдущих поколениях установок, осуществляющих упрочнение по предлагаемой технологии;
• комплексом преимуществ и эксплуатационных характеристик, которые обеспечиваются данной технологией упрочнения и которые не могут быть реализованы другими технологиями упрочнения в области тяжело нагруженных деталей, узлов и механизмов;
• созданием установки следующего поколения;
• успешными стендовыми испытаниями установки следующего поколения.

• создание коммерческой структуры для реализации поставленной цели;
• обкатку установки нового поколения в промышленных условиях с одновременной отработкой режимов упрочнения конкретных деталей узлов и механизмов для последующего извлечения прибыли;
• маркетинговые исследования с выявлением наиболее перспективных направлений извлечения прибыли и потенциальных заказчиков и бизнес-партнеров;
• развитие выявленных направлений коммерческой деятельности;
• создание условий для развития технологии и расширение сферы внедрения технологии с целью создания установок следующего поколения и внедрения их в производство для получения коммерческой прибыли.

• упрочнение коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и дизелей легковых и грузовых автомобилей, дизелей средней и большой мощности для локомотивов, судов, газоперекачивающих станций и т.д., в том числе упрочнение при первом и втором капитальных ремонтах;
• валки прокатных станов;
• жернова различного назначения.

Предполагаемая эффективность вложения средств не менее 200%. Она обеспечена эффективностью упрочнения и сравнительной дешевизной его нанесения. В частности, ожидаемая себестоимость упрочнения коленчатого вала КАМАЗа ожидается на уровне 10-15 у.е. при коммерческой стоимости 40- 50 у.е.

• упрочнение железнодорожных стрелок и рельсов;
• упрочнение и восстановление деталей ответственных узлов прецизионных станков;
• упрочнение деталей ответственных узлов военной техники.

Промышленное внедрение технологии

диффузионного упрочнения нагруженных деталей узлов и механизмов

(обоснование)

Как общеизвестно, работоспособность существующих механических узлов и механизмов определяется предельным износом трущихся деталей в этих узлах и механизмах. При этом относительные размеры износа, по отношению потери массы деталей технических средств к её первоначальной массе, весьма малы, но величина износа приводит к выходу из строя механизма или машины в целом. Этим определяется и совокупный экономический эффект, связанный с упрочнением трущихся поверхностей.

Данное упрочнение может осуществляться двумя способами: улучшением механических свойств материала деталей в целом или упрочнением непосредственно тех поверхностей, которые подвержены износу. Первый способ при всех его преимуществах, связанных с удлинением срока службы деталей, обладает рядом существенных недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие.

1. Как правило, детали узлов и механизмов выполняют одновременно несколько функций. Так, например, валы двигателей должны одновременно иметь повышенную износостойкость и отсутствие задиров в подшипниках, и способность выдерживать ударные нагрузки на кривошипы. Это требует различных свойств материала, которые практически невозможно совместить путём выбора одной марки чугуна или стали.

2. Упрочнение трущихся поверхностей требует применения специальных дорогостоящих марок чугуна и стали, значительно удорожающих стоимость детали, а значит, и механизма в целом.

В связи с этим в настоящее время считается наиболее перспективным локальное упрочнение отдельных поверхностей узлов, непосредственно подверженных износу. Это позволяет создать оптимальные условия в области соприкосновения трущихся деталей при сохранении требуемых характеристик остальных частей узлов и деталей.

Проблема усложняется существенно различными условиями трения, зависящего от многих параметров, и в частности, от давления на поверхности, наличия ударных нагрузок, температурного режима, в котором работает узел или деталь, наличия смазки, а также совместимости материалов трущихся поверхностей.

В зависимости от указанных особенностей, в настоящее время разработан достаточно обширный диапазон методик, который может быть подразделён на два основных направления:

• создание износостойких покрытий и плёнок;

• упрочнение самих трущихся поверхностей.

К первому направлению могут быть отнесены методы электролитического, гальванического, плазменного нанесения износостойких покрытий на поверхности деталей. По характеру связи покрытия с поверхностью упрочняемой детали данные покрытия называют адгезионными. Толщина этих покрытий как правило лежит в пределах от нескольких мкм до долей миллиметра. Они хорошо показывают себя в условиях слабонагруженного трения без ударных нагрузок и в отсутствии локального интенсивного нагрева деталей. При наличии ударных нагрузок, как и при наличии температурных перепадов, происходит растрескивание и отслаивание данных покрытий. При этом частицы материала покрытия интенсифицируют износ, являясь дополнительным абразивом в области контакта трущихся поверхностей.

Характерными областями применения данного типа покрытий являются:

- режущий инструмент различного назначения (сверла, метчики, фрезы);

- слесарный инструмент (ножовочные полотна, напильники, надфили);

- формообразующий инструмент (пресс-формы, инструмент и оснастка для глубокой холодной вытяжки металлов);

- производство пластмасс и резинотехнических изделий (валы и шестерни машин и механизмов, детали текстильного машиностроения);

- автомобилестроение (цилиндры двигателей внутреннего сгорания, компрессионные кольца);

- нефтедобывающая промышленность (коронки бурового инструмента, цилиндры штанговых насосов, плунжеры манжетных насосов и т.д.);

- циркулярные и ленточные пилы для деревообработки;

- медицинский инструмент (зубные боры, фрезы для операций на черепе, инструмент для микрохирургии и офтальмологии);

- товары бытового назначения (ножи для мясорубок, лезвия бритв, швейные иглы).

[ http://www.icsti.ru/rbd/rus/tech/cat6.html ]

В качестве примера на рис. 1 представлены некоторые представители ассортимента инструмента, упрочненного электрохимическим (а) и плазменным методом (б).

Рис. 1

а) http://www.icsti.ru/rbd/rus/tech/cat6.html

б) http://keith@carolinacoating.com/what_is.htm

В зависимости от условий, в которых работают детали или инструмент с адгезионным покрытием, степень упрочнения может изменяться от 1,5 до 3 и даже до 5 раз, что создаёт существенную экономию, особенно при нанесении покрытий на неперетачиваемый инструмент и на детали механизмов, не подлежащих ремонту.

В связи с указанными особенностями адгезионных покрытий, для упрочнения поверхностей деталей машин и механизмов, подверженных в процессе работы нагруженному трению и/или большим колебаниям температуры, применяются технологии диффузионного упрочнения.

Вместе с тем, неспособность покрытий работать в условиях высоких механических, ударных и термических нагрузок существенно снижает область применимости указанных методик. К тому же эта область применения существенно сужается необходимостью использования стационарного оборудования для нанесения покрытий, что позволяет осуществлять упрочнение только в заводских условиях. В частности, для электрохимических покрытий требуются специальные экологически вредные гальванические ванны, для ионно-плазменных методов требуются вакуумные или специальные камеры, приспособленные для нанесения покрытий в инертной среде. Для примера, на рис. 2 представлена камера для нанесения покрытий методом thermal spray coatings, осуществляемого фирмой CTS (Цинциннати, США).

Рис. 2

http://www.cincinnatithermalspray.com/ctsinfo.htm

К данным технологиям относятся методы лазерного упрочнения, технологии насыщения поверхностного слоя углеродом (цементирование), азотом (азотирование), одновременно азотом и углеродом (цианирование) или различными металлами типа хрома, алюминия, вольфрама и т.д., а также методы газоплазменного и электроискрового упрочнения.

В числе перечисленных методов, лазерное упрочнение при высокой технологичности, высокой скорости и экологической безопасности обработки поверхности детали даёт сравнительно невысокий эффект, поскольку не изменяет химическую структуру поверхности, но только производит локальную её закалку и несколько улучшает её морфологическую структуру.

В свою очередь, насыщение поверхностного слоя диффузионными методами требует значительного времени (10–20 часов), нагрева детали до значительных температур (800- 1200 ^оС), наличия специальных печей или ванн. Это требует значительных затрат энергоресурсов, делает процесс трудозатратным, экологически вредным и может производиться только в специальных цехах. “Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твёрдость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей его твёрдости. Преимущество азотированного слоя – в его более высокой износоустойчивости, но азотирование детали значительно дороже, так как процесс требует более длительного времени и для азотирования применяются дорогостоящие легированные стали” [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 219- 220]. В свою очередь, “существенным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому процессы цианирования производятся в специально выделенных помещениях” [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 222]. При диффузионном внедрении металлов в поверхностный слой “диффузия хрома, алюминия и других металлов идёт значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что азот и углерод образуют с железом растворы внедрения, а металлы - растворы замещения. При одинаковых температурных и временных условиях это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки и сотни раз более тонкими, чем при цементации. Столь малая скорость диффузии препятствует широкому распространению процессов диффузионной металлизации в промышленности, так как процесс является дорогостоящим и проводится при высоких температурах (1000- 1200 ^оС)” [А.П. Гуляев, Металловедение, с. 223].

Кроме того, при указанных методах диффузионного насыщения поверхностного слоя

• существенно ограничена возможность оптимального подбора характеристик материала трущихся поверхностей;

• насыщение поверхностного слоя осуществляется для всей детали в целом, что изменяет характеристики материала как в зоне контакта поверхностей, так и в тех частях детали, в которой подобные изменения вредны и могут приводить к выходу детали из строя. Чтобы избежать этого, отдельные части детали покрываются специальными обмазками, но это малоэффективно;

• длительный нагрев может вызвать более или менее значительный рост зерна. Последующая обработка должна исправить этот дефект структуры;

• эти нагревы вызывают дополнительное коробление деталей и удорожают процесс термообработки.

Тем не менее, в отсутствии реальной альтернативы описанные способы наиболее распространены для упрочнения поверхностей трения коленчатых валов и ряда других тяжело нагруженных узлов и деталей машин и механизмов.

Некоторым развитием диффузионных методов является технология, разработанная в МВТУ им. Баумана. По данной технологии “получение покрытий основано на сочетании предварительной механической обработки поверхности детали (деформирующее резание с формированием узких глубоких канавок шириной 5-100 мкм), с последующей традиционной химико-термической обработкой (азотирование, нитроцементация, борирование и др.), что позволяет получать композиционную структуру с вертикальным расположением упрочняющих слоев (см. рис. 3). Канавки либо заращиваются в процессе диффузионного насыщения, либо заполняются твердыми или жидкими смазками [ http://mt2.bmstu.ru/defrez.php ]. Однако указанная технология, при некотором увеличении твёрдости поверхности, существенно ухудшает её чистоту, создаёт дополнительные узлы напряжения в поверхностном слое, требует дополнительной механической обработки поверхности в дополнение к процессу упрочнения, а главное, не решает основных проблем, присущих вышеперечисленным диффузионным методам упрочнения.

Рис. 3

http://mt2.bmstu.ru/defrez.php

К диффузионным покрытиям иногда относят упрочнение методом газоплазменного нанесения покрытий, разрабатываемые в частности на унитарном предприятии "МЕТОЛИТ" (Минск) и в компании Flame Spray coating Co. Inc. Общий вид процесса нанесения данного типа износостойких покрытий представлен на рис. 4.

а                                                                                             б

Рис. 4

а) http://www.metolit.by/otnp/technol/tgnp/tgnp.shtml

б) http://www.flamesprayedcoating.com/generalcoating.html

Основными недостатками данной технологии являются:

• неравномерный и существенный нагрев подложки, обусловливающий коробление детали и изменение структуры сердцевины детали;

• значительный расход легирующих материалов, обусловленный, с одной стороны, значительным рассеиванием в процессе нанесения покрытия, а с другой стороны, необходимостью наращивания значительной толщины покрытия для того, чтобы оно было способно выдерживать значительные нагрузки без сколов и растрескивания;

• значительные энергозатраты;

• дороговизна напыляемого дисперсного материала;

• неоднородность покрытия и большое число включений, ухудшающих износостойкость покрытия и его сцепление с основой.

В то же время данные технологии позволяют в широких пределах подбирать пары трения для достижения максимальной износостойкости контактирующих поверхностей деталей узлов и механизмов, а также избирательно наносить покрытия на защищаемые поверхности.

Однако вышеуказанные недостатки значительно ограничивают широкое применение этих методов в производстве.

Кроме перечисленных методов, к диффузионным покрытиям относится и технология электроискровой обработки поверхности, суть которой заключается в создании множественных слабых искровых разрядов между электродом и упрочняемой поверхностью. На рис. 5 показан процесс электроискровой обработки деталей в компании Swain Technology, Inc. (New York). Эта технология, так же как и газоплазменная, позволяет в широком диапазоне подбирать характеристики пар трения, но глубина упрочнённого слоя очень незначительна (менее 0,1 мм) и износостойкость поверхности трения быстро убывает с износом, что не способствует достижению значительного эффекта.

Рис. 5

http://swaintech.com/index.html

Как видно из представленного обзора, основной проблемой повышения износостойкости покрытий является необходимость одновременно удовлетворить нескольким базовым условиям:

• технология обязана обеспечивать широкий диапазон подбора параметров упрочнённого слоя;

• для обеспечения работоспособности упрочнения при ударных и температурных нагрузках упрочнённый слой должен внедряться в поверхности трения и не допускать сколов и растрескивания;

• исходя из глубины упрочнения, признанной в настоящее время оптимальной и достаточной для обеспечения длительной работоспособности узлов и механизмов, проникновение внедряемого материала должно достигать глубины 0,6 – 0,8 мм;

• необходимо, чтобы процесс упрочнения не был связан со значительным нагревом детали, приводящим к ухудшению свойств материала детали в целом, а также к короблению детали;

• технология должна быть экологически чистой, энергосберегающей и простой в реализации.

Ни одна из выше представленных технологий не удовлетворяет всему комплексу условий.

Вышеуказанным требованиям полностью удовлетворяет предлагаемая технология дискретного диффузионного упрочнения тяжело нагруженных деталей и узлов механизмов и машин, заключающаяся в имплантации в поверхностный слой детали легирующего материала с заданными физическими свойствами. При этом между материалом подложки и имплантируемым материалом образуется диффузионный пограничный слой, как показано на рис. 6.

Рис. 6

Важной особенностью технологии является то, что одновременно с имплантацией осуществляется наклёп материала подложки и имплантируемого материала с эффективной локальной закалкой, что резко повышает поверхностную твёрдость поверхности и обеспечивает мелкозернистую структуру упрочнённого слоя. Указанные факторы играют существенную роль в обеспечении износостойкости упрочняемой поверхности детали. В связи с вышеуказанной особенностью, даже в случае имплантации материала самой детали достигается эффект упрочнения порядка 1,3 - 1,5 раз, т.е. эффект, который считается нормальным для некоторых других типов упрочнения. Внедрение же специально подобранных легирующих материалов резко повышает эффект, который при правильном подборе достигает 4 - 5 раз.

Второй важной особенностью данной технологии является избирательный характер имплантации легирующего материала: производится упрочнение только тех поверхностей, которые подвержены износу. Структура и физико-химические свойства остальной детали, как и её сердцевины, остаются неизменными, температура детали в целом в процессе обработки повышается незначительно (не более 20- 30 ^оС) и может регулироваться без ухудшения эксплуатационных характеристик упрочнения.

Дискретность имплантации легирующего материала может эффективно регулироваться и, как показала практика, имеет оптимум при плотности расположения упрочняемых зон в пределах 70- 80 % обрабатываемой поверхности. Типичный вид поверхности после упрочнения имеет вид, представленный на рис. 7.

Рис. 7

Данной технологией могут упрочняться как наружные, так и внутренние поверхности, независимо от габаритности деталей и их конфигурации. Для обеспечения высокого класса чистоты поверхности может производиться финишная шлифовка без ухудшения характеристик износостойкости. Однако при получаемой чистоте поверхности шлифовка во многих случаях не обязательна.

На этапе конструкторской разработки внедрение данного упрочнения позволит закладывать в проект более дешевые марки материалов.

Ещё одной важной особенностью упрочнения по описываемой технологии является отсутствие специальных ванн, печей, камер. Упрочнение может осуществляться непосредственно в ремонтных цехах и требует переносной установки для упрочнения и стандартных токарных, фрезерных станков в зависимости от конфигурации детали и упрочняемой поверхности. При этом упрочнение может быть нанесено повторно, что особенно важно в условиях ремонта деталей и узлов.

Предлагаемая технология полностью экологически безопасна.

Скорость обработки поверхности достаточно высока. Например, упрочнение коренных и шатунных шеек коленчатого вала автомобиля типа КАМАЗ осуществляется за 30- 40 минут с учетом технологического времени. Энергозатраты на обработку вала составляют порядка 1,5- 2 кВт ^. час в зависимости от выбранного режима упрочнения.

Представляемая технология легко автоматизируется. При этом резко сокращается и технологическое время, и время упрочнения. Последнее становится возможным благодаря одновременной параллельной обработке нескольких поверхностей упрочняемой детали.

Диапазон применимости технологии включает в себя упрочнение коленчатых валов самого разного типа, начиная от легкового автомобиля и вплоть до мощных судовых дизелей, дизелей газоперекачивающих станций, дизель-генераторов и т.д. В приложении 1 приведен акт внедрения технологии для упрочнения коленчатых валов на Харьковском авторемонтном заводе, где одновременно с испытанием в производственных условиях упрочнялись коленчатые валы автомобилей КАМАЗ для исполнения миссии в тяжёлых условиях пустыни Ирака, а также валов двигателей лесовозов, на которые до этого ремонтные коленчатые валы вообще не устанавливались из-за особо тяжёлых условий работы двигателя.

Упрочнению могут также подвергаться и внутренние поверхности гильз цилиндров. Важно, что данная технология применима для упрочнения деталей при втором и последующих капитальных ремонтах, когда повторное цементирование уже не может быть осуществлено, а характеристики упрочнения шеек вала значительно ухудшены износом рабочей зоны.

Кроме того, на основе сравнительных испытаний, проведенных на комбинате “Криворожсталь”, установлено, что данное упрочнение может быть также применимо для упрочнения тяжело нагруженных валков первых клетей прокатных станов, где проведенные предварительные испытания показали высокую эффективность данного упрочнения по сравнению с существующими. В приложении 2 приведен акт сравнительных испытаний валков, упрочненных по предлагаемой технологии.

Важной сферой применения указанного покрытия является упрочнение чугунных жерновов мельниц, где износ поверхности столь интенсивный, что существенно ограничивает производительность и все известные методы упрочнения не приводят к требуемым результатам, т.к. на чугунные детали любые покрытия наносятся сложно. Предлагаемая нами технология позволяет эффективно упрочнять чугун, в т.ч. легированный.

Приведенный перечень достаточно легко может быть расширен за счёт включения широкого спектра приложений, начиная от насущной необходимости упрочнения быстроизнашивающихся стрелок железнодорожного полотна до упрочнения внутренней поверхности жерл пушек. И это расширение может быть постепенно реализовано по мере внедрения предлагаемой технологии.

Касаясь вопроса о прототипе предлагаемой технологии, следует отметить, что он был разработан порядка 30 лет назад специалистами Киевского Политехнического Университета, но не нашёл достаточного применения из-за глубоких каверн, образующихся в процессе имплантации, значительного выброса материала имплантации с существенным ухудшением чистоты обрабатываемой поверхности и интенсивного нагара, приводящего к окислению легирующих добавок, что значительно ухудшало качество упрочняемого слоя. В результате для последующего восстановления чистоты поверхности приходилось снимать до половины имплантированного слоя. Как следствие, указанные недостатки тормозили широкое внедрение технологии в производство. Тем не менее, даже при указанных недостатках прототип обеспечивал двукратное упрочнение поверхности. Нами по просьбе частной производственно-исследовательской компании “Тави” была произведена принципиальная доработка технологии на уровне физики процессов упрочнения и на базе этого была разработана, изготовлена и испытана совместно с фирмой “Тави” опытная установка. В результате усовершенствования были исключены из процесса условия образования нагара, интенсивного выплеска материала, а также условия образования раковин. Как показали испытания, для доведения упрочнённой поверхности до 10- 12 класса чистоты теперь достаточно производить финишную шлифовку на глубину не более 0,1 мм и во многих случаях, как например при упрочнении валков прокатных станов, качество поверхности без окончательной шлифовки удовлетворяло требованиям качества поверхности проката даже при упрочнении валков чистовых клетей, в то время как при упрочнении по технологии-аналогу качество поверхности не удовлетворяло даже требованиям, предъявляемым к черновым клетям стана.

В настоящее время нами разработана и изготовлена установка следующего поколения, в которой устранён ряд принципиальных недостатков предыдущей модели, значительно облегчён вес и значительно повышены эксплуатационные характеристики. Схема установки и технология нанесения покрытия патентоспособны.