ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛЕГИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕТАЛЛОВ В ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Х

И

М

И

Ч

Е

С

К

И

Е

НАУКИ

В.В. Максимов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛЕГИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕТАЛЛОВ В ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Целесообразность и экономичность работ по восстановлению деталей путем нанесения покрытий и, следовательно, повышению их износостойкости обусловлена экономией материальных, топливно-энергетических ресурсов, трудозатрат и минимизацией экономического воздействия на окружающую среду.

Ключевые слова: композит, наночастицы, легирование, восстановление.

Основными причинами отказа работы деталей являются износ, агрессивные среды, высокие температуры и механические нагрузки. Поскольку процессы разрушения обычно начинаются с поверхности, целесообразно наносить многофункциональные защитные покрытия и пленки с высокими эксплуатационными свойствами как при восстановлении, так и при изготовлении новых изнашиваемых деталей.

В практике восстановления деталей восстановлением путем нанесения покрытий, осаждения составляют около 77%, обжига электрических контактов - 6%, гальваники - 4%, литья с жидким металлом - 2%, извлечения полимера - 4%, других процессов - 5%. [1]

Покрытия на основе металла, полимера и неорганики могут быть получены различными способами нанесения, напылением, химико-термической обработкой, химическим и электрохимическим осаждением, физическими методами, нанесением из газовой фазы, имплантацией, комбинированными и другими методами. [2]

При определенных условиях эксплуатации стальных деталей, изделий и конструкций обычные физико-механические свойства материала теряются. В таких случаях они легируются - добавляют другие

© В.В. Максимов, 2023.

Научный руководитель: Максимова Марина Геннадьевна - кандидат химических наук, доцент, Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, Россия.

химические элементы к исходному составу во время плавления (в основном, металлы, но есть исключения). В результате сталь становится более прочной, твердой и более устойчивой к внешним неблагоприятным факторам и нагрузкам, даже если она теряет пластичность, что в большинстве случаев ухудшает ее обрабатываемость. Технические требования к таким сталям регламентированы в ГОСТ 4543 (ГОСТ 1542 также распространяется на изделия из листовой стали). В то же время ряд сложных легированных сталей производится в соответствии с техническими условиями металлургических предприятий.

Одним из способов улучшения качества поверхностного слоя и снижения стоимости ремонта станков является многократное восстановление формы деталей с помощью металлических покрытий и обеспечение их взаимозаменяемости. [3]

Анализ распространенных методов восстановления изношенных поверхностей деталей (детонационная газовая и вакуумная плазменная обработка, обработка поверхности, гальванизация, распылительная металлизация, электроэрозионный сплав) показывает, что все они имеют свои преимущества и недостатки.

Метод электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) в последнее время нашел широкое применение. По своим достоинствам он не только допускает все другие методы, но и превосходит их во многих случаях. Недостатки ЭЭЛ могут быть устранены путем улучшения самой технологии или путем объединения ее с другими технологиями для улучшения качества и восстановления поверхностей деталей.

Для роторных машин и систем (винтовые и радиальные компрессоры, выдувные машины, центрифуги, насосы, электродвигатели и т. д.) одной из основных причин потери производительности является износ рабочих поверхностей вала ротора или их разрушение. Усталость определяет срок службы вала, его срок службы и устойчивость к агрессивным средам.

В дополнение к переменным силам и моментам, действующим на вал, необходимо учитывать силы трения, возникающие в подшипниках скольжения и валах. Трение между поверхностями шеек вала и подшипниками подшипников скольжения вызывает износ шеек. Величина этого износа зависит от условий трения, которые определяются рядом факторов: физические и механические свойства вала и материалов подшипников, формой и размерами деталей, шероховатостью поверхностей трения, скоростью, нагрузочным и тепловым режимами работы трущейся пары, количеством и качеством смазки.

Общая классификация легирующих элементов в сталях

Преобладающее положение в списке легирующих элементов имеют металлы. Исключение составляют кремний и бор.

В связи с этим, легирующие сталь металлы подразделяются на две группы:

1.Металлы, которые увеличивают область твёрдых растворов, что приводит к повышению разнообразия конечной микроструктуры легированной стали после её упрочняющей термообработки. К таким элементам относятся никель, марганец, кобальт, медь, а также азот.

2.Металлы и химические элементы, которые повышают прочность стали. К ним относят хром, вольфрам. ванадий, молибден, титан. [4]

Наночастицы

Особенность нанотехнологии состоит в том, что функциональный элемент создается не составлением из различных компонентов заданной формы, а изменением внутренней структуры материала. Воздействие на структуру может быть как восходящим, так и нисходящим. Нисходящий подход представляет собой использование инструмента для непосредственного манипулирования молекулами и атомами с целью создания функционального элемента. Восходящий подход заключается в создании таких условий в системе, при которых функциональный элемент образуется сам по себе. Такой подход интересен тем, что его точность определяется фундаментальными законами природы и в связи с этим использование точных инструментов не требуется, что удешевляет и упрощает технологию. [5]

Нанокристаллические материалы

Признаки нанокристаллических материалов:

1) малый размер зерна и, соответственно, большая площадь границ в единице объема;

2) подавление пластической деформации при размерах зерна ниже некоторого предельного значения

3) сильно неравновесное состояние границ зерен и обусловленные этим значительные внутренние напряжения;

4) возможные аморфная и пористая структуры границ.

К наиболее универсальным наноматериалам принадлежат фуллерены и углеродные нанотрубки.

Они проявляют необычные фотохимические, электронные, тепловые и механические свойства.

Одностенные углеродные нанотрубки могут проявлять себя как металлические, полуметаллические или полупроводниковые объекты. Их теплопроводность может превышать теплопроводность графита в плоскости слоев. Они прочны на разрыв (в 100 раз больше прочности стали). При диспергировании в однородной среде нанотрубки сохраняют присущие им механические свойства или даже усиливают структурно-механические характеристики носителя. Они имеют такую же электрическую проводимость, как медь, и такую же теплопроводность, как алмаз. [6]

Фуллерены и нанотрубки также используют в различных сферах автомобилестроения. Они используются при производстве датчиков ускорения, микропереключателей, газовых датчиков, лобовых стекол, самозатягивающихся покрытий, например краски для авто. [7]

Посредством нанотехнологии можно создавать новые конструкционные и функциональные материалы, параметры которых определяются свойствами формирующихся заданным образом микрообластей, а также процессами, протекающими на атомном, молекулярном и наноразмерном уровнях. Приоритетными направлениями являются:

1. Конструкционные и инструментальные сплавы с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью.

2. Различные виды покрытий (защитные, износо-, термои коррозионностойкие, антифрикционные, пассивирующие, просветляющие).

3. Функциональная керамика для твердотельных топливных элементов.

4. Металлические нанопорошки различного состава.

5. Полимерные наноструктуры и жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и энергоэффективных систем отображения информации (новые типы дисплеев, электронная бумага).

В настоящее время большой интерес вызывает разработка полимерных нанокомпозитов, в которых наноразмерные частицы металла (никель, медь, молибден, хром, полиметаллический комплекс) локализованы на поверхности элементов наполнителя — порошков или волокон. [8] Восстановление деталей машин

Для восстановления деталей машин используют следующие методы: Напыление (газотермический метод)

Суть газотермического напыления газовым потоком заключается в воздействии на поверхность детали нагретых (расплавленных) частиц вещества, имеющих высокую скорость. Покрытие образуется в результате внедрения частиц в микронеровности поверхности, их деформации при ударе и взаимодействия между собой. (9)

Газопламенное напыление

Это наиболее распространенный способ напыления, зачастую называемый газопорошковым напылением и может быть реализован напылением порошка с помощью транспортирующего газа, т. е. нанопо-рошок под давлением газа подается на обрабатываемую поверхность (10) Плазменное напыление

Основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, плавления, так и для переноса частиц материала на напыляемую поверхность.(11) Электродуговое напыление

Относится к наиболее перспективным способам нанесения покрытий и отличается тем, что нагрев и плавление материала осуществляется с помощью электрической дуги. (12) Гальванические покрытия

Гальванические покрытия применяют в основном в:

-восстановлении размеров стальных, чугунных деталей с износом десятых долей миллиметра (клапаны, поршневые пальцы, шатуны, отверстия под подшипники в корпусных деталях и др.) и повышение износостойкости (Ре, Сг, М, Си, композиционные покрытия на их основе), коррозионной стойкости (Сг, Zn, Cd и т.п.);

-придании защитно-декоративных (Сг, М, Си, Zn, Cd, Sn, РЬ) и антифрикционных свойств (Ре, Си, Zn, Sn, композиционные покрытия на их основе); -защите от цементации (медь); -повышении теплостойкости (хром);

-придании поверхностному слою специальных свойств - электро-, теплопроводности и др. (медь и

др.)

Технологический процесс нанесения гальванических покрытий включает в себя три основных блока операций: подготовительные (очистка, промывка, обезжиривание), осаждение металла, обработка после нанесения покрытий (промывка, нейтрализация, сушка).

Наибольшее распространение для восстановления стальных и чугунных деталей (шеек коленчатых и распределительных валов, крестовин, головок шатунов, гильз цилиндров, поршневых колец, пальцев и т.п.) получило железнение. Зачастую его называют «осталиванием», поскольку твердость осадков находится на уровне твердости закаленной стали. Производительность железнения максимальна (в 10 раз выше, например, чем при хромировании).

Химические покрытия

Металлические покрытия (никеля, меди, кадмия, олова и др.) можно осадить на восстанавливаемые детали из водных растворов их хлоридов. Процесс никелирования, например, ведут при температуре 45...99 °С. Скорость осаждения весьма низкая(при 50 °С около 2 мкм/ч). Нанесение наиболее распространенных никель-фосфорных покрытий ведут из кислых и щелочных растворов.

Диффузионные покрытия

Их получают, как правило, химико-термической обработкой (ХТО), сочетающей тепловое воздействие с диффузионным насыщением поверхности металлов и сплавов одним или несколькими химическими элементами. Это позволяет получать в поверхностном слое детали сплав практически любого состава (твердые растворы, карбиды, бориды, нитриды, силициды и т.п.) с комплексом необходимых свойств (твердостью, износо-, жаро- и коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами).

Полимерные покрытия

Получают их различными путями (осаждения из взвешенных порошков, суспензий, растворов, распыления, прикатки ленты, пленок и др.) нанося на подготовленную поверхность детали, последующей обработкой для улучшения адгезии и монолитизации слоя.

Наносят их в вакууме в результате образования газовой фазы (генерация паров, летучих продуктов), переноса атомов и частиц газовой фазы на покрываемую поверхность, взаимодействия газовой фазы с поверхностью и образования покрытия.

Покрытия формируются из распыленных или испаренных частиц.

Библиографический список:

1. Андриевский, Р. А. Наноструктурные материалы : учеб. пособие для вузов по направлению подготовки ди-пломиров. специалистов 651800 "Физ. материаловедение" / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. - М. : Академия , 2005. -192 с.

2. Григорьев, С. Н. Технологии нанообработки : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. "Конструкт.-технолог. обеспечение машиностроит. пр-в" / С. Н. Григорьев, А. А. Грибков, С. В. Алешин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Старый Оскол : ТНТ , 2010. - 320 с.

3. Высокие технологии размерной обработки в машиностроении : учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению "Конструкт.-технолог. обеспечение машиностроит. пр-в" / А. Н. Никифоров [и др.]. - М. : Высшая школа , 2007. - 327 с.

4. Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.В. Технология металлов и других конструкционных материалов. - М.:

2000

МАКСИМОВ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ - бакалавр, Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, Россия.