Повышение качества деталей машин нанесением покрытий

  Основные технологические факторы, влияющие на физико-механические и эксплуатационные свойства борированного слоя: температура электролита, время выдержки и химический состав материала обрабатываемых деталей.

  Толщина борированного слоя на низколегированных сталях при температуре до 950°С составляет около 0,3 мм. При дальнейшем повышении температуры она увеличивается мало, но значительно возрастает хрупкость слоя. С увеличением времени выдержки t толщина слоя возрастает по параболическому закону:

у =2Pt, где 2Р — параметр, характеризующий скорость роста слоя.

  Среднее значение параметра 2Р можно определить как тангенс угла наклона параболических кривых, построенных в координатах y²=t. При выдержке более 8 ч сильно увеличивается хрупкость слоя. Твердость борированного слоя HV 2000—2500. Наибольшую твердость имеет борированная поверхность деталей из стали типа 55С2А и ЗОХГСА, несколько меньшую — из стали 12ХН2А и 12ХНЗА, еще меньшую — из сталей 40Х и 35.

  При любой температуре (прочие условия одинаковые) максимальная толщина борированного слоя получается на деталях из стали ЗОХГСА и последовательно .уменьшается на деталях, изготовленных из сталей 50С2А, 12ХНЗА, 12ХН2А, 35 и 40Х. Рекомендуется детали из указанных сталей борировать при температуре 950°С и выдержке 6 ч. При этих условиях получается слой наилучшего качества и достигается высокая износостойкость бориро ванных деталей. Из сталей, подвергнутых сравнительным испытаниям, после борирования наиболее износостойкой оказаласьсгаль 12ХН2А, а затем стали 12ХНЗА и 40Х.

  Слой бора не изменяет своих свойств при нагреве до температуры 950°С и обладает повышенными кислотостойкостью и жаростойкостью при температуре до 800°С. Прочность его сцепления с основным металлом такая же, как и прочность цементованного слоя. Высокая твердость слоя бора сообщает поверхности деталей хорошую износостойкость. Вот почему борированием упрочняют детали машин, работающие в тяжелых условиях (при наличии абразивной среды и ударных нагрузок); к таким деталям можно отнести втулки буровых насосов. Как показал опыт, борирование рабочей поверхности втулок позволяет увеличить их износостойкость почти в 4 раза по сравнению с износостойкостью втулок, закаленных ТВЧ. 

Оксидирование и фосфатирование 

  Все металлы на воздухе покрыты оксидной пленкой, которая защищает их от воздействия окружающей среды, но толщина пленки очень мала. Для получения оксидных пленок значительной толщины прибегают к специальной химической, термической или электрохимической обработке поверхности заготовки. Наиболее широкое применение получили глубокое оксидирование и эматалирование.

  Глубокое оксидирование—процесс получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм с высокими микротвердостью (4000—4500 МПа), износостойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Этот процесс применяют для повышения износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных машин и других деталей из алюминия и его сплавов с содержанием не более 4,5% Си и не более 7% Si.

  Износостойкость перечисленных деталей после оксидирования при работе со смазочным материалом повышается в 5—10 раз. Для глубокого оксидирования используют электролит, содержащий 180— 200 г/л химически чистой или аккумуляторной серной кислоты, не более 30 г/л алюминия и 0,5 г/л меди. При упрочнении сплавов. AMjTi АМц, АЛ2 и АЛ4 анодная плотность тока поддерживается равной 2,5— 5 А/дм^г, а температура электролита 5—0°С. Начальное напряжение обычно составляет 20—24 В. При обработке вторичных сплавов температуру электролита рекомендуется снижать до —10°С. Образование толстых оксидных пленок связано с выделением большого количества теплоты в зоне оксида, разогревающего электролит у анода (покрываемой детали). Это приводит к разрыхлению пленки и травлению обрабатываемой поверхности. Для устранения местного разогрева поверхность детали непрерывно охлаждают или интенсивно перемешивают электролит. Применяют различные способы охлаждения. Можно охлаждать внутренние поверхности льдом или пропускать охлаждающие жидкости через отверстия или полости деталей с такой скоростью, чтобы разница температуры жидкости на входе и выходе не превышала 1°С. Часто для охлаждения используют специальные приспособления. Процесс глубокого оксидирования имеет некоторые технологические трудности, вызываемые нарушением режима охлаждения, отклонением состава электролита от нормы, недостаточной подготовкой поверхности, наличием на деталях острых углов и граней. Для повышения стойкости деталей против коррозии их после оксидирования и тщательной промывки в воде подвергают специальной обработке для уплотнения оксидной пленки, чтобы предотвратить влияние окружающей среды на металл через поры пленки. Это делают пропиткой деталей в распыленном парафине или воске, покрытием их олифой, лаками, осаждением в парах нерастворимых солей, наполнением пор хроматами.

  Эматалирование заключается в получении электролитическим путем непрозрачных эмалевидных пленок толщиной 10—12 мкм с микротвердостью 6000—7000 МПа, обладающих красивым декоративным видом, а при использовании щавелево-кислых электролитов — хорошими износостойкостью и диэлектрическими свойствами. Пленки могут быть блестящими, матовыми, окрашенными. По внешнему виду они напоминают фарфор, пластмассу, мрамор, эмаль. Эматаленый слой стоек в органических растворителях, минеральных и животных маслах, мылах, пищевых продуктах, органических кислотах, не трескается при ударных и сжимающих нагрузках, выдерживает нагрев до 300°С. Эти качества пленки используют для защиты от коррозии и отделки медицинских аппаратов, приборов, мебели, а также для повышения износостойкости деталей машин из алюминиевых сплавов, в которых содержание легирующих добавок не должно превышать 2% Си, 1 % Fe, 1 % Ni, 8% Zn, 8% Mg и 1 % Мп. Для уплотнения эматалевои пленки детали после обработки кипятят в дистиллированной воде.

  В результате фосфатирования на поверхности деталей из углеродистых и низколегированных сталей, чугуна и некоторых цветных металлов (алюминий, магний, цинк, кадмий) получают пленки нерастворимых солей марганца, железа и цинка толщиной 2—15 мкм. Фосфатный слой устойчив в воздухе, керосине, толуоле, смазочных маслах и легко разрушается в щелочах и кислотах. Фосфатные пленки прочно удерживают, масла, лаки, краски и обладают хорошей адгезионной способностью.  Они имеют невысокую механическую прочность и плохо сопротивляются истиранию. Фосфатные пленки

жаростойки при температуре 500—600°С.

  Фосфатирование применяют главным образом для защиты деталей от коррозии. Защитная способность пленок значительно повышается после пропитки их смазочными материалами или маслами. 

Химические способы нанесения покрытий 

  В промышленности применяют различные химические способы нанесения никелевых, хромовых, кобальтовых, никель-кобальтовых и других упрочняющих покрытий. Процесс химического нанесения покрытий включает следующие операции: подготовку деталей к покрытию, нанесение покрытия на рабочие поверхности; термическую обработку, механическую обработку для придания деталям необходимых размеров и чистоты поверхности. Готовят детали к химическому покрытию так же, как и к гальваническому.

  Примерный состав ванн и режимы нанесения покрытия химическим способом приведены в табл. 4.99.

  После термической обработки покрытий при температуре 350—400 С прочность их сцепления с основным металлом детали, твердость и износостойкость возрастают в 1,5 раза и более. Прочность сцепления покрытия с основным металлом высокая, например, со сталью 10 свыше 300 МПа. Слой, наносимый химическим путем, сцепляется с углеродистыми сталями прочнее, чем с легированными или быстрорежущими. 

Состав ванны и режимы нанесения химических покрытий 

  Скорость осаждения упрочняющего металла зависит в основном от температуры ванны: с повышением температуры никелевой ванны от 50 до 90°С скорость осаждения никеля возрастает примерно в 7 раз.

  Химическое хромирование возможно только по подслою никеля толщиной более 1 мкм. Для нормальной работы в ванну через каждый час добавляют до 3 г/л гипофосфита и до 3 мг/л уксусной кислоты и едкого натра. Катализаторами служат пластинки из железа, алюминия или других металлов, которые контактируют с обрабатываемыми деталями. Для придания слою хрома более высокой твердости детали нагревают до температуры 600—800°С, а затем механически обрабатывают (обычно полируют).

Усталостная прочность деталей, покрытых никелем и прошедших отпуск при температуре 400 С, снижается на 30—45%, а износостойкость их повышается в 2—3 раза. Несмотря на значительно больший расход реактивов, чем при гальваническом способе, химическое упрочнение никелем применяют для деталей топливной аппаратуры, силуминовых корпусов гидравлических насосов, золотников и поршней гидравлических агрегатов из дуралюмина Д1. Химическое никелирование рекомендуется использовать для защиты деталей, работающих в условиях среднего и повышенного коррозионного воздействия, вместо многослойных гальванических покрытий никель—хром и медь—никель—хром; это экономит цветные металлы. Химический способ успешно применяют при покрытии никелем керамики, пластмассы и других диэлектриков для создания металлически проводящей поверхности. Такое никелирование применяют также для деталей из алюминия и его сплавов, титана и керамики, чтобы получить возможность паять их мягкими припоями.

  На некоторых предприятиях химическое никелирование позволило заменить дорогие высоколегированные стали, работающие при температуре до 600°С, менее легированными. Термически обработанные никелевые покрытия вследствие их большой твердости, хорошей прирабатываемости, высокой износостойкости, возможности нанесения на различные детали сложного профиля должны найти широкое применение в машиностроении для повышения надежности и долговечности деталей машин.

  Химическое хромирование применяют для упрочнения деталей машин и инструментов. Таким путем целесообразно упрочнять режущие инструменты, предназначенные для работы с малыми стружками и повышенными скоростями резания, а также измерительные инструменты сложного профиля. Последние перед хромированием обезжиривают и декапируют в 50%-м растворе соляной кислоты. Хромированные химическим способом и затем нитроцементованные резцы не уступают по качеству алмазным расточным резцам. Химическое упрочнение особенно эффективно для деталей сложных форм, так как стоимость его не зависит от формы деталей.

Лакокрасочные покрытия 

  Применяют разнообразные лакокрасочные материалы, различающиеся по химическому составу, назначению и свойствам. Надежная и длительная защита металла от коррозии и дерева от гниения достигается в том случае, если покрытие сплошное, газо-и водонепроницаемое, обладает хорошей сцепляемостью с покрываемой поверхностью, достаточной сопротивляемостью к механическим деформациям и химическим воздействиям, сопротивляемостью истиранию, действию тепла, холода, солнечного света; часто к лакокрасочным покрытиям предъявляются требования повышенной стойкости против действия кислот, масла, бензина.

  Для удовлетворения всех этих требований в машиностроении применяют многослойные покрытия, каждый слой которых имеет свое назначение. Непосредственно на поверхность заготовки наносят слой грунта толщиной 15—25 мкм. Он хорошо сцепляется с поверхностью и защищает ее от коррозии. На грунт наносят до четырех слоев шпаклевки, которая выравнивает дефекты поверхности (поры, царапины, углубления). Шпаклевка должна быть твердой, хорошо сцепляться с грунтом и поддаваться механической обработке (обычно шлифованию). На шпаклевку наносят краску или слой эмали, которые улучшают внешний вид изделий, а также повышают его твердость и сопротивляемость различным воздействиям. При отсутствии дефектов поверхности краску или эмаль можно наносить непосредственно на грунт. Число слоев краски или эмали от двух до шести, толщина слоя 30—80 мкм.

  Технологический процесс окраски включает операции подготовки поверхности, нанесения грунта, шпаклевки, краски или эмали, сушки и обработки покрытия. Все операции, связанные с подготовкой к окраске и окраской детали, механизированы или автоматизированы. Трудоемкий и длительный процесс естественной или конвекционной сушки заменяют терморадиационной сушкой. Окраску кистью, окунанием или механическим распылением заменяют окраской распылением в электростатическом поле. Все это позволяет получать прочные слои краски, хорошо защищающие рабочие поверхности деталей от внешних воздействий, повышает срок службы деталей, особенно из тонколистовых материалов Испытания показывают, что при окраске в электрическом поле и сушке в терморадиационной камере детали и узлы более коррозионностойки, чем при обычных окраске и сушке.

  Лакокрасочные покрытия постоянно совершенствуют, и область их применения расширяется. Например, в машиностроении их используют для защиты материалов, изделий и оборудования, эксплуатируемых в условиях тропического климата. НИИтракторсельхозмаш установил, что лучшими защитными свойствами для сельскохозяйственных машин, работающих в этих условиях, обладают алкидномелами-новые эмали, синтетические автоэмали и эмали О-ГФ-МЛ-4-2 зеленого цвета. Применение фосфатирующего грунта ВЛ-08 в сочетании с грунтом В-329 значительно улучшает стойкость покрытий. Внедрение указанных эмалей и грунтов позволяет улучшить товарный вид машин, повысить их защитные свойства и в 2 раза удлинить срок службы покрытий по сравнению с глифталиевыми эмалями.

Покрытие деталей пластмассами

  Пластмассовые покрытия применяют для защиты от коррозии химической аппаратуры и других изделий, а также для выравнивания неровностей их поверхностей. По химической стойкости к действию самых агрессивных сред, таких, как концентрированные кислоты и окислители, многие пластмассы превосходят даже благородные металлы (золото и платину). Пленки пластмассы наносят на поверхности деталей машин вихревым или газопламенным напылением или облицовкой листовыми материалами. Для покрытия деталей газопламенным и вихревым методами пригодны только термопластичные материалы в виде мелкодисперсного порошка, который при нагреве переходит в вязкотекучее состояние без существенного разложения, а необходимые физико-механические и химические свойства приобретает после охлаждения.