Повышение эффективности восстановления и упрочнения изношенных деталей машин из медных сплавов методом диффузионной металлизации

Совершенствование технологии, улучшение организации и повышение качества ремонта машин в настоящее время является актуальной проблемой. Низкие качество, уровень эксплуатации и ремонта обусловливают высокие трудозатраты и значительный расход запасных частей.

Одним из ответственных элементов, лимитирующих ресурс и надежность дизелей, является сопряжение «поршневой палец - втулка верхней головки шатуна». Бронзовые втулки верхней головки шатунов и другие подшипниковые втулки из медных сплавов при постановке двигателей на капитальный ремонт выпрессовываются и зачастую утилизируются, несмотря на существование многочисленных способов их восстановления. При этом максимальный износ втулок по внутреннему диаметру не превышает 0,11 мм. В результате этого требуется большое количество запасных частей [1, 2].

Повышенная потребность в восстановлении и низкий ресурс бронзовых подшипниковых втулок объясняется, во-первых, недостаточной износостойкостью сопряженных поверхностей втулки и поршневого пальца и, во-вторых, отсутствием соответствующей технологи, позволяющей комплексно восстанавливать изношенные втулки с одновременным упрочнением восстанавливаемых поверхностей [3].

Детали из меди и её сплавов находят всё большее применение в современных машинах (тракторы, автомобили, дорожно-строительные, мелиоративные и строительные машины и т.д.). Они работают в тяжёлых условиях действия высоких температур, абразивного, гидроабразивного, эрозионного, коррозионного износов и др. Так, бронзовые подшипники скольжения, в силу ряда специфических свойств, получили широкое распространение как втулки:

- верхней головки шатунов;

- паразитных шестерён;

- шестерён привода топливных насосов;

- валиков с масляных насосов;

- шестерён редукторов пусковых двигателей;

- распределительных валов;

- гидронасосов;

- подшипников шестерён;

- турбокомпрессоров и др.

Широкое распространение деталей из медных сплавов связано с такими присущими им специфическими свойствами, как:

- низкий коэффициент трения;

- высокие механические свойства;

- высокие технологические свойства;

- хорошее сопротивление износу и коррозии;

- бесшумность работы.

Экономическая целесообразность восстановления деталей из медных сплавов объясняется их дешевизной в сравнении с закупками новых деталей. Она также определяется:

- правильным выбором способа восстановления;

- уровнем технологического решения;

- долговечностью восстановленной детали;

- организационными факторами.

Кроме того, экономическая целесообразность повышается в зависимости от:

- снижения стоимости проведения технологического процесса;

- повышения поверхностной твёрдости выбранным способом восстановления изношенной поверхности детали.

Для решения этих задач разработано большое количество методов. Одним из наиболее распространённых является метод диффузионной металлизации. Реализация данного метода, наряду с восстановлением 100% ремонтного фонда изношенных бронзовых подшипниковых втулок, предполагает наиболее полное использование ресурсов ремонтных предприятий за счет применения вторичного металла выбракованных деталей [4, 5, 6].

Восстановленные и упрочненные методом диффузионной металлизации поверхности деталей машин имеют:

- высокие физико-механические свойства;

- хорошо противостоят истиранию как в обычных условиях, так при высокой температуре;

- высокую адгезию с основным материалом деталей, не изменяющуюся в условиях эксплуатации;

- хорошую коррозионную стойкость и стабильность во времени физико-механических свойств;

- возможность изменения линейных размеров до требуемых величин с минимальным объёмом последующей механической обработки;

- достаточно высокую поверхностную микротвёрдость и малый коэффициент трения;

- низкую стоимость.

Процесс диффузионной металлизации прост в технологическом осуществлении и дает возможность регулировать фазовый состав и структуру поверхностных слоёв, позволяет получать высококачественные, равномерные покрытия без пор и отслаиваний.

В настоящее время разработано много методов диффузионной металлизации, наиболее распространённым среди которых является газовый метод контактным и неконтактным способами (метод порошков). Достоинством метода является возможность получения равномерных покрытий на деталях сложной конфигурации, тогда как для других методов это представляет значительные трудности.

Смесь порошков, применяемая для диффузионной металлизации, обычно состоит из металлической составляющей, которая участвует в создании покрытия, из активатора, способствующего формированию активной среды, и нейтрального порошка, который препятствует спеканию металлической составляющей смеси, а также разбавляет и удешевляет смесь. В качестве нейтрального порошка могут применять:

- глинозём (окись алюминия Al₂O₃);

- кварцевый песок;

- шамот и другие окислы.

Чаще всего применяют глинозём - широко распространённый недефицитный и сравнительно дешевый порошок с температурой плавления около 2000^оС.

При диффузионном насыщении активаторы ускоряют массовый перенос насыщающего элемента к поверхности насыщаемого изделия, и при нагревании продукты испарения или разложения активатора вытесняют воздух из рабочего пространства, в котором производится насыщение, и препятствуют окислению насыщаемого металла и порошковой смеси.

Экспериментальные исследования проводились с образцами из бронзы БрО5Ц5С5, БрОЦ10-2 и латуни ЛС59-1 и Л62.

Подготовленные образцы устанавливали в контейнер в строго определенном порядке. На слой порошковой смеси толщиной 15 мм укладывали образцы на определенном расстоянии друг от друга. Затем засыпали порошковой смесью толщиной выше образцов на 15 мм. Закрывали асбестом, металлическим листом, отработанным карбюризатором и мелкораздробленным стеклом (или жидким стеклом).

Насыщение опытных образцов проводили из порошковой смеси следующего состава: порошок ферротитана, фтористый натрий, хлористый цинк и окись алюминия.

Перечисленные компоненты смеси тщательно перемешивали и засыпали в контейнер из Ст3. Упакованный таким образом контейнер помещали в камеру печи.

Насыщение проводили при температуре от 600 до 800 ^оС при выдержке от 2 до 8 ч.

Герметичность рационного пространства обеспечивалась вышеуказанным плавким затвором из натросиликатного стекла.

Результаты исследований приведены на рис. 1-5. Проведенные исследования показали, что после диффузионного ферротитанирования образцов из медных сплавов бронзы марок Бр О5Ц5С5, Бр ОЦ10-2 и латуни марок ЛС 59-1 и Л 62 диаметром 10 мм и высотой 10 мм образуется плотное покрытие, прочно связанное с основным металлом.

Рис. 1. Влияние температуры и продолжительности процесса насыщения на изменение линейных размеров образцов из бронзы

Рис. 2. Влияние температуры и продолжительности процесса насыщения на изменение линейных размеров образцов из латуни

Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине ферротитанового слоя на образцах из бронзы и латуни

Рис. 4. Изменение веса образцов из бронзы

Рис. 5. Изменение веса образцов из латуни

Общая глубина диффузионного слоя на исследуемых образцах достигала 2 мм и более, в зависимости от температуры и времени выдержки.

При температурах от 600 до 700 ^оС влияние температуры и продолжительности процесса ферротитанирования на толщину диффузионного слоя, а, значит, и на изменение линейных размеров, менее значительно, чем при температурах выше 700^оС и продолжительности выдержки 4…8 ч.

На скорость и величину приращения линейных размеров образцов существенное влияние оказывают как состав порошкообразной реакционной смеси, так и процентное соотношение компонентов.

Смеси порошков должны обладать дисперсностью от 1…2 мм до нескольких микрометров. Дисперсность металлических порошков оказывает влияние на скорость приращения линейных размеров.

Фазовый состав диффузионного ферротитанового слоя определяли металлографическим способом и методом измерения микротвердости. Проведенные измерения величин износа деталей из ремонтного фонда показали, что эти величины не превышают 0,2…0,3 мм.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что изменения линейных размеров образцов диффузионным насыщением из порошковых смесей газофазным контактным способом могут достигать 2 мм и более, что достаточно для восстановления и упрочнения практически всех изношенных деталей из медных сплавов, т.е. практически для 100% ремонтного фонда.